CPUまでの１インチを解消。AI時代の高効率48V電源ソリューション

Vicor KK 集合写真（左より） Factorized Power Vicor Corporation アーキテクチャ Corporate Vice President, ZVS SAC（ZVS+ZCS） 電圧変換 絶縁 Product Marketing & Business Development Isolation Robert Gendron 氏 Regulation Transformation入力電圧 出力電圧 Director, Product Marketing 出力電圧調整 Chester Firek 氏 PRM™ VTM™ Director, Applications Engineering Paul Yeaman 氏 出力電圧の 定電圧化ステージ 電圧変換ステージ （非絶縁型 （理想DCトランス） CPU/GPU 48 - 54Vin 2.0 - 2.3A レギュレータ） 一定電圧 43V 0.9Vout 2.5A 120A PoP（Power-on-Package） VTMをサブストレートへ 移動することにより システムの損失を 約10%減少させる 図1：Factorized PowerとPoPの関係 CPUまでの１インチを解消。AI時代の ⸺電源の中で失われる損失を含めると、どうな 定電圧化と電圧変換の2段に分割 VTMでは定電圧化は行いません。電圧をトランスりますか？ 48Vでも高効率・高電力密度を実現 によって一定の倍率で落とし、その分、電流量を Gendron：電源部品と配線上の損失の合計で比 増倍します。 高効率48V電源ソリューション 較すると、12Vバス方式の場合の損失は3.26kWで、これは入力電力の26.6％に相当します。一方、 ⸺なぜ、長らく12Vバス方式が使われてきたの ⸺この技術の導入により、12Vバス方式と比べ 48Vバス方式の損失は1.18kWで、入力電力の でしょう？ て遜色のない効率を維持できるようになった、と 11.6%に当たります。つまり、損失を2.08kW減 Gendron：コンバータの変換効率に問題がありま いうことですか？ CPUやGPU、FPGAの高性能化に伴い、大電流を効率良く供給できる電源回路が求められている。このため、以前からPOL（point of load）電源やマ らせることになります。 した。かつての部品では、48Vから1V以下の低 Gendron：そうです。現在では、12V向けのマル ルチフェーズ方式のレギュレータなどが使われているが、加えて近年では中間バスの48V化が進んでいる。例えば、AI処理を実行するサーバやスパコン、 い電圧へ変換する際の電力損失が（12Vから1V チフェーズレギュレータより高い効率を実現してい 5G向けテレコム機器、マイルドハイブリッド車などが48V電源の普及を後押しする。ここでは、10年以上にわたり48V化を推進してきたVicor社に、48V ⸺48Vバス方式を採用しているのは、どのよう 以下へ変換する場合と比べて）大きかったのです。 ます。さらに電力密度も向上し、小型のデバイス 化の動向、同社のFactorized Power技術、および配電損失の削減とコスト削減に寄与する最新のPoP（Power-on-Package）技術について、話を聞いた。 な企業ですか？ しかし、当社が10年前にFactorized Powerとい で大電流の供給が可能となりました。ただし、問 Gendron：当社は10年ほど前から48Vに対応 う新しいアーキテクチャを採用した製品を市場に 題はまだ残っています。後段のVTMからCPU/ した電源モジュールを提供していますが、この製 投入したころから、変換効率の問題は徐々に解消 GPUまでの�最後の1インチ�の電力損失の問題で 品の最初の顧客はIBM社のスパコンの開発部門 されていきました。 す。この問題を解決するため、昨年（2017年）9 でした。数年前には、Google社のデータセンター 月に「PoP（Power-on-Package）」という技術を サーバから自動車、電動工具まで Gendron：マルチフェーズ方式のスイッチング 目は中間バス・コンバータとPOLコンバータの間 においてサーバの電源系の電力効率が問題とな ⸺Factorized Powerとはどのような技術ですか？ 発表しました。 広範な領域で48V化が進行 レギュレータは、クラウドサーバやスーパーコン をつなぐ12Vバスで生じる電力損失の問題、3番 り、当社の48V対応品が採用されました。 Gendron：CPU/GPU向けの典型的なPOLコン ピュータ（スパコン）などの電源回路でよく使われ 目は周辺の信号に悪影響を与える電源ノイズへの バータでは、複数の電圧レギュレータを並列に並 ています。こうしたシステムの開発現場は、今、 対策の問題、4番目はエネルギーの蓄積に必要と ⸺コンピュータ以外の分野の動きは？ べます（マルチフェーズ方式）。当社のFactorized 厚さ2.7mmの電圧変換モジュールを ⸺Vicor社は、どのような企業ですか？ 一つの課題に直面しています。CPUやGPUに対 なるコンデンサのコストや実装スペースの問題で Gendron：テレコム関係では、PoE（Power over Powerアーキテクチャは、これとは大きく異なりま CPU/GPUの直近に貼り付ける Gendron：当社は創業から38年目の米国企業で、 して100A以上、場合によっては400Aを超える す。2～4番目の問題は、中間バス電圧を12Vか Ethernet）に代表されるように、以前から48V電 す。従来、一つのレギュレータで実現していた給電 電源モジュールや電源システムを開発しています。 大電流の供給が求められているのに対して、従来 ら48Vへ引き上げることで緩和されます。 源が一般的に使われています。最近では欧州のマ 機能を、定電圧化ステージ「PRM」と電圧変換ス 当初はブリック型（直方体の筐体に収めた電源モ 型の電源アーキテクチャでは対応が難しくなってき イルドハイブリッド車や、電動工具など一部の工 テージ「VTM」の2段階に分けて実現します（図1）。 ⸺PoPとは、どのような技術ですか？ ジュール）の製品を提供していたのですが、15年 ています。 ⸺48Vバス方式を採用すると、どのくらい電力 作機械や、電動バイク等で48V電源の採用実績 Gendron：ざっくり言うと、マザーボード上に実 ほど前から高集積のモールドパッケージ品も出荷 損失を減らせるのでしょう？ があります。 ⸺2段階に分けると、なぜ効率が改善するので 装していた電圧変換ステージのデバイスをCPU/ しています。当社の製品は、高い電力密度、変 ⸺Vicor社は以前から、分散電源システムの Gendron：例えばデータセンターにおいて、外 しょう？ GPUサブストレート（基板）上に移します。電圧変 換効率、拡張性に強みがあると自負しています。 中間バスについて、伝統的な12Vバスに替えて、 部電源からサーバラック、そして15枚のCPUカー ⸺国内企業は？ Gendron：PRMでは、入力電圧に対して、一 換ステージからCPU/GPUまでの距離が格段に短 48Vバスの採用を提案しています。 ドへ合計9kWを給電するサーバを例に試算する Gendron：大手では、ATE（LSIテスタ）の開発企 定の電圧を出力します。注目していただきたいの くなり、その間の配電損失が減少します。さらに、 ⸺高性能なCPUやGPU、FPGAの電源は分 Gendron：12Vバス方式の電源には、いくつか と、12Vバスの配電損失が1440Wであるのに対 業が当社の48V対応品を利用しています。また、 は、入力側の電圧が48Vであるのに対し、出力 マザーボードも小型化できます。「CPU/GPUの 散化が進み、大電流の供給に対応しやすいマルチ の問題があります。1番目はPOL（point of load） して、48Vバスではわずか91Wで済みます。中 スパコンやデータセンターの分野でも、2社の企 側が43Vと、ほとんど電圧差がない点です。ほぼ パッケージ基板上にパワーモジュールを実装する」 フェーズ方式（複数の電源回路を並列接続し、位相 コンバータとCPU/GPUの間の距離、いわゆる�最 間バス電圧が上がればその分、供給電流を減ら 業に採用いただいています。今後も、この流れは 同じ電圧で、定電圧化しています。電圧差が少な という意味で、この技術を�Power-on-Package� をずらして動作させる方式）が主流となっています。 後の1インチ�に起因する電力損失の問題、2番 せるので、I2Rで決まる配電損失は減少します。 続いていくと見ています。 ければ少ないほど高効率を維持できます。一方、 と呼んでいます。 24 Volume.16 2018.3 Volume.16 2018.3APS MAGAZINE APS MAGAZINE 25

Vicor KK す。インダクタとDrMOSモジュール（制御IC＋ MCD プロセッサに MCM MOSFET）がボードの左右に8個ずつ、合計16個 Technical NOTE （Multiple Current Driver） 相当する疑似負荷 （Multiple Current Module） 並んでいて、これらがマルチフェーズ方式のレギュ レータとして機能します。これは非常に一般的な 48V 直接給電、小型・高効率、汎用レギュレータ 「スイッチング電源の原理とレギュレータの効率」 回路ですが、GPU本体より電源回路のほうが、 http://go.aps-web.jp/16-vicor QRコードアプリで最新情報をご覧いただけます。 面積が大きくなってしまっています。これは異常な Cool-Power ZVS降圧レギュレータ PI352x シリーズ ことです。次世代のGPUカードでは、さらに供給 電力が増えます。当社の最新のPoP製品であれば、 一つのMCDと二つのMCMで、Tesla V100に搭 データセンター、通信、車載機器向け 容易な設計と拡張性 小型・高電力密度、高効率、 載されているインダクタとDrMOS、20セット分の 広い入力電圧範囲 働きをします。 PI352xシリーズは、48V入力のCool-Power PI352xシリーズは、PCB内740mm2未満の占 ZVS降圧レギュレータの最新製品です。 有面積に、出力インダクタと最小限の受動素子 PI352xシリーズ製品仕様 マザーボード上に配置 CPU/GPUサブストレート（基板）上に配置 ⸺ほかに採用例はありますか？ を加えただけの設計等で、コスト効率の高い設 　・入力電圧範囲：30～60V Gendron：Top500、Green500にランキン 昨今、照明、通信、車載機器、データセンター 計を実現可能とします。 　・パッケージ寸法：10x14x2.6mm 図2：PoPのデモボード グされたスーパーコンピュータに採用されまし アプリケーション等において大電力の要求が高 た。このスパコンには、当社が昨年から出荷し まっており、その要求に最適な48Vからの直接 また、PI352xシリーズは、最大3つのレギュレー 5V出力：PI3525-00-LGIZ ている最大320A出力のPoP製品が搭載され 給電、かつ大電流のPOL（Point-of-Load）のニー タを容易に並列化できる設計がされており、更 　・出力電流：20A ⸺デバイスの構成を教えてください。 う前提ですが、CPU/GPUサブストレート上に当 ています。 ズが増加しています。PI352xシリーズはこのニー に大きな負荷電流のアプリケーションへと拡張す 　・電力密度：274.7W/cm3 Gendron：PoPは、MCD（Multiple Current 社のモジュールを実装する技術について理解し ズに対応した製品です。 ることも可能です。 　・効　　率：95.5%ピーク Driver）とMCM（Multiple Current Module） ていただく必要があります。当社から、MCMの ⸺今後、PoP技術はどのようなアプリケーション の2種類のデバイスから構成されます（図2）。 実装に必要な各種情報を提供いたします。 で使われると考えていますか？ より大きな電流供給へ さらに、PI352xシリーズは、I2Cシリアル通信 3.3V出力：PI3523-00-LGIZ MCDが前段、MCMが後段です。一つのMCD Gendron：2020年に処理能力が1エクサ（1018） 機能を用いることで、自身の動作ステータスを 　・出力電流：22A と、二つまたは四つのMCMを組み合わせて利 FLOPSに達すると言われているHPC（高性能 Vicorは、この電力要求に対応するため、従来 監視することも可能です。 　・電力密度：199.2W/cm3 用します。 NVIDIAの新製品や コンピューティング）の領域です。AIや機械学習、 の48V直接POL向け降圧レギュレータPI354x 　・効　　率：93.5%ピーク 国内最速のスパコンにも採用 ビッグデータなどのトレンドがHPCの高性能化を シリーズ（10A）に加え、さらに大きな電流（20A） PI352xシリーズは、シンプルかつ、ピーク値で ⸺供給できる電流量は？ 後押しします。プロセッサに必要な電流は劇的 を供給することができるPI352xシリーズをリリー 97.5%の高効率と高電力密度を実現し、クラス 12V出力：PI3526-00-LGIZ Gendron：最大500Aです。数百μsの瞬間的な に増加しており、クラウドサーバやスパコンのシ スしました。 最高のパフォーマンスで、より短期間での設計を 　・出力電流：18A ピーク電流については、1000Aを超えるピーク値 ⸺PoP製品の採用を表明している企業はありま ステム設計は今、大きな転機を迎えています。 可能にします。 　・電力密度：593.4W/cm3 にも対応できます。2017年9月に、最大320Aの すか？ 特に、このシリーズの一つであるPI3525-00- 　・効　　率：97.5%ピーク 電流を供給できる最初のPoP製品を発表させてい Gendron：NVIDIA社です。2018年3月26～ ⸺HPC以外に注目しているアプリケーションは LGIZは、5V出力レギュレータで、最大20Aを供 ただきました。次に出てくるのがこの500A対応品 29日に米国カリフォルニア州サンノゼで開催さ ありますか？ 給し、10x14mm LGA SiPパッケージの形状です。 ※各種評価ボードも準備しております。 で、2018年3月に発表しました。 れた、同社主催の「2018 GPU Technology Gendron：例えば5Gのワイヤレスでは、帯域幅 　Vicor KKまでお問い合わせください。 Conference（GTC）」にて、新製品が発表され が現状の100倍になり、それとともに必要な電力 ⸺MCDやMCMのパッケージ構造は？ ました。この製品に最大500A出力のPoP製品 も増加します。特に、多数のIoTデバイスがつな Gendron：中央にプリント基板（PCB）があり、 が採用されています。 がるクラウド型のデータセンターで、より多くの計 部品を実装してその上下を樹脂モールドで覆っ 算能力や電力を必要とします。車載のAIにも注 ています。特徴的なのは、製造方法です。まず ⸺最近のGPUカードにはインダクタやレギュ 目しています。自動運転を実現するため、自動車 160mm×40mm程度の1枚の基板に複数、40 レータが多数搭載されています。 にもGPUを積んだボードが搭載されるでしょう。 個分のモジュールの部品を一括実装します。次に Gendron：例えばNVIDIA社の最新のデータ データセンターに次ぐ大きなAIの市場になると予 それを切り分け、個別のモジュールを取り出しま センター向けGPUカード「Tesla V100」を見る 測されているので、当社もこの分野に力を入れて す。ちょうど集積回路を形成した半導体ウェハを と、従来型の電源回路が基板上の大きなスペー います。 切り分ける方法と同じです。 スを占めています。これをPoP製品で置き換えま ⸺PoPを使った電源回路の設計は難しくありま せんか？ PI352x ZVS降圧レギュレータ（左）と評価ボード（右） Gendron：従来のマルチフェーズレギュレータ Vicorの技術力は、高い変換効率と高い電力密度を発揮しつつ大電流を給電 を使った設計とほとんど違いはありませんが、 することにある。AIなどの用途でますます増加するCPUやGPUへの電力を支 PCBとCPU/GPUサブストレートが違います。 え続けられる数少ないパワーソリューションベンダーだ。Vicorが描く48V対 ■お問い合わせ先 Vicor KK Vicor KK　マーケティング部 電源設計者の方がPCB設計について詳しいとい 応の未来はすぐそこにあり、これからのエレクトロニクスの常識となるだろう。 03-5487-3016 / sales_VicorKK@vicorpower.com http://www.vicorpower.com/ja-jp/ 26 Volume.16 2018.3 Volume.16 2018.3APS MAGAZINE APS MAGAZINE 27