【導(dǎo)讀】人工智能(AI)不僅改變了我們與世界互動(dòng)的方式，更在重塑使這一切成為可能的硬件本身。隨著AI滲透到各行各業(yè)和日常生活的方方面面，創(chuàng)新背后的“硅基大腦”——GPU、TPU和尖端ASIC——正承受著前所未有的壓力。然而，大多數(shù)人沒(méi)有注意到的是：這些AI加速卡不僅渴求數(shù)據(jù)和算法，更極度依賴一項(xiàng)資源——穩(wěn)定可靠的高性能電源。
在本系列的三篇文章中，我們將深入剖析AI加速器供電網(wǎng)絡(luò)的全新世界，探討管理超快速瞬變的巨大挑戰(zhàn)，并介紹有助于讓當(dāng)今超高速AI可靠運(yùn)行的革命性解決方案（例如ADI公司的多相電源專業(yè)技術(shù)）。
AI加速器功率激增：算力越強(qiáng)，功耗越高
如今，挑戰(zhàn)已不僅僅是速度。為了訓(xùn)練當(dāng)今龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)崿F(xiàn)閃電般的實(shí)時(shí)推理，我們堆疊了數(shù)十億晶體管，運(yùn)行的工作負(fù)載對(duì)硬件性能的要求遠(yuǎn)超以往任何一代。整個(gè)行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)“實(shí)時(shí)”變革。
根據(jù)Gartner的報(bào)告，2021年AI芯片收入總計(jì)超過(guò)340億美元，預(yù)計(jì)到2026年將增長(zhǎng)至860億美元。加速芯片（統(tǒng)稱為xPU，包括GPU、TPU、FPGA、ASIC）通過(guò)并行執(zhí)行任務(wù)，提供比CPU高出數(shù)倍的性能。然而，并行計(jì)算消耗著驚人的電能。有時(shí)在低于1V的核心電壓下，電流需求超過(guò)1000A，且每次AI推理或訓(xùn)練任務(wù)都會(huì)引發(fā)電流需求的劇烈波動(dòng)。
對(duì)于AI加速卡而言，供電網(wǎng)絡(luò)不再是事后才考慮的事情，而是系統(tǒng)性能所依仗的基石。一旦設(shè)計(jì)不當(dāng)，即便是世界上最先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可能陷入停滯，甚至出現(xiàn)更糟的局面——悄無(wú)聲息地出錯(cuò)。
瞬變——滴答作響的定時(shí)炸彈
從供電角度來(lái)看，是什么讓AI如此特殊又如此具有挑戰(zhàn)性？答案在于瞬變：每次加速器啟動(dòng)新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層，或在訓(xùn)練與推理之間切換時(shí)，電流都會(huì)在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)發(fā)生突然、劇烈的波動(dòng)。
如果管理不善，這種電壓波動(dòng)可能帶來(lái)以下后果：
產(chǎn)生非常嚴(yán)重的電壓尖峰或驟降，以至于觸發(fā)安全保護(hù)機(jī)制、中止處理器運(yùn)行，甚至對(duì)敏感的xPU芯片造成物理?yè)p壞。
使傳統(tǒng)的去耦電容失效，尤其是當(dāng)AI典型工作負(fù)載的持續(xù)時(shí)間超過(guò)電容儲(chǔ)備能量所能覆蓋的范圍時(shí)。
暴露配電網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，從穩(wěn)壓器到每一條PCB走線都可能被殃及。
圖1：通用AI加速卡框圖
工程師們很快發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的配電方式已經(jīng)無(wú)法滿足需求。隨著負(fù)載上升或下降，極端di/dt動(dòng)作可能將電壓軌推向極限，有時(shí)甚至達(dá)到最大熱設(shè)計(jì)容量的兩倍（或更多?。鹘y(tǒng)穩(wěn)壓器往往反應(yīng)不夠迅速，容易在關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)電壓驟降或過(guò)沖的風(fēng)險(xiǎn)。
為何AI電源設(shè)計(jì)存在根本性差異
如果您曾為CPU設(shè)計(jì)過(guò)供電系統(tǒng)，可能以為AI電源設(shè)計(jì)也遵循相同邏輯。但請(qǐng)三思，因?yàn)锳I對(duì)電源的需求不僅更大，而且在每個(gè)層面都更不可預(yù)測(cè)、更苛刻：
超低電壓：xPU核心電壓已降至1V以下，容錯(cuò)安全裕度大幅壓縮。
超大電流：為加速卡提供1000A以上電流已是常態(tài)，遠(yuǎn)超典型服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心的需求。
嚴(yán)格的噪聲標(biāo)準(zhǔn)：高頻噪聲和電壓瞬變很容易引起敏感AI芯片發(fā)生故障，危及正常運(yùn)行時(shí)間、計(jì)算精度甚至設(shè)備的物理安全。
熱管理難題：隨著功率密度不斷攀升，因PCB電阻或調(diào)節(jié)效率低下而損失的每一瓦功率，都會(huì)轉(zhuǎn)化為需要加以管理的熱量。
所有這一切都要求供電架構(gòu)既要超級(jí)穩(wěn)定，又要足夠敏捷，以避免瞬變尖峰和驟降，同時(shí)符合未來(lái)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)的高效率運(yùn)行。
傳統(tǒng)架構(gòu)的局限性
過(guò)去，設(shè)計(jì)人員通常將穩(wěn)壓器放置在xPU的側(cè)面，通過(guò)大面積的平面PCB走線供電。然而，一旦電流超過(guò)100A，即使是幾厘米的銅線也會(huì)造成顯著損耗，引起效率降低、熱量增加，還需要持續(xù)應(yīng)對(duì)掉電和噪聲問(wèn)題。
再加上AI工作負(fù)載高度動(dòng)態(tài)的特性和由此產(chǎn)生的多重瞬變，最終就形成了一場(chǎng)“完美風(fēng)暴”。傳統(tǒng)“單純?cè)龃蠊β省钡碾娫丛O(shè)計(jì)方法已經(jīng)過(guò)時(shí)，現(xiàn)在需要的是更智能、更集成的解決方案。
供電的重要性：對(duì)AI創(chuàng)新有著深遠(yuǎn)影響
電源不穩(wěn)定的后果不僅限于藍(lán)屏或簡(jiǎn)單重啟。在依賴實(shí)時(shí)AI的應(yīng)用中，瞬變引起的故障可能導(dǎo)致自動(dòng)駕駛汽車漏檢關(guān)鍵目標(biāo)。不穩(wěn)定的電壓供應(yīng)可能使實(shí)時(shí)金融推理模型崩潰。即使是短暫的電壓驟降或過(guò)沖，也可能引入誤差，而誤差會(huì)在訓(xùn)練過(guò)程中不斷擴(kuò)散，最終造成昂貴的返工和不必要的能源浪費(fèi)。
歸根結(jié)底，若沒(méi)有新一代供電技術(shù)，AI不僅會(huì)運(yùn)行緩慢，更有可能永遠(yuǎn)無(wú)法發(fā)揮全部潛力。
結(jié)語(yǔ)：供電革命由此開始
隨著AI不斷發(fā)展，為AI供電的架構(gòu)也必須同步進(jìn)化。在下一篇文章中，我們將探討ADI公司的最新創(chuàng)新成果，這些經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、可立即投入現(xiàn)場(chǎng)使用的解決方案從零開始構(gòu)建，旨在馴服AI瞬變風(fēng)暴。我們將共同探索多相方法、智能集成和垂直供電新范式如何使以往難以企及的性能成為可能甚至落地。敬請(qǐng)關(guān)注第二部分，探索電源與精密技術(shù)的交融。
