Microchip Technology Inc.
dsPIC業(yè)務(wù)部產(chǎn)品營(yíng)銷工程師
Josue Navarro

簡(jiǎn)介

人工智能（AI）正在迅速改變各行各業(yè)，從醫(yī)療保健、金融到自動(dòng)駕駛汽車和自然語(yǔ)言處理，推動(dòng)著全方位的創(chuàng)新。這場(chǎng)革命由AI服務(wù)器驅(qū)動(dòng)，它們提供了前所未有的計(jì)算性能。然而，AI工作負(fù)載（包括大語(yǔ)言模型的廣泛采用）的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)導(dǎo)致了功耗的急劇上升，給全球數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。隨著AI模型變得更加復(fù)雜以及AI服務(wù)器數(shù)量的增長(zhǎng)，對(duì)強(qiáng)大、高效和可擴(kuò)展的電力供應(yīng)的需求比以往任何時(shí)候都更迫切。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正在不斷發(fā)展以應(yīng)對(duì)這些日益增長(zhǎng)的需求。其重點(diǎn)正轉(zhuǎn)向更高的能源效率、先進(jìn)的電源管理以及集成碳化硅（SiC）等寬帶隙半導(dǎo)體（在某些情況下包括氮化鎵），以減少能量損耗。

安全性仍然是重中之重，尤其是當(dāng)AI應(yīng)用處理海量敏感數(shù)據(jù)時(shí)。這種環(huán)境要求采取強(qiáng)有力的措施，例如基于硬件的加密、安全啟動(dòng)機(jī)制以及警惕的實(shí)時(shí)威脅檢測(cè)。為了應(yīng)對(duì)AI推理和訓(xùn)練（特別是由大語(yǔ)言模型驅(qū)動(dòng)的工作負(fù)載）帶來(lái)的計(jì)算強(qiáng)度，數(shù)據(jù)中心正在采用新的供電和電壓調(diào)節(jié)方法，并實(shí)施先進(jìn)的熱管理?？蓴U(kuò)展性和靈活性的需求變得越來(lái)越重要，促使數(shù)據(jù)中心采用模塊化基礎(chǔ)設(shè)施并探索創(chuàng)新的冷卻策略。隨著這些趨勢(shì)的持續(xù)發(fā)展，AI驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心有望在支持未來(lái)進(jìn)步所需的敏捷性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的效率和安全性。

為AI服務(wù)器供電的挑戰(zhàn)

不斷增長(zhǎng)的電力和密度需求

AI服務(wù)器是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的支柱，驅(qū)動(dòng)著深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、大語(yǔ)言模型和實(shí)時(shí)分析等高級(jí)任務(wù)。這些服務(wù)器比傳統(tǒng)的企業(yè)服務(wù)器需要更多的電力。隨著數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展其AI能力，它們面臨著在保持效率以管理成本和減少環(huán)境影響的同時(shí)，提供足夠電力的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心的能耗激增，AI工作負(fù)載的能耗可能是傳統(tǒng)任務(wù)的兩倍。全球數(shù)據(jù)中心的能源需求正以每年10-15%的速度增長(zhǎng)，目前AI已占其總能耗的10-20%。承擔(dān)繁重計(jì)算負(fù)載的AI加速器服務(wù)器是此基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的主要能源消耗者。

從傳統(tǒng)的以CPU為中心的架構(gòu)向GPU和專用加速器的轉(zhuǎn)變，正推動(dòng)著電力需求的持續(xù)激增?，F(xiàn)代AI服務(wù)器的功耗現(xiàn)在是傳統(tǒng)企業(yè)服務(wù)器的兩到三倍，高性能AI機(jī)柜的功耗超過(guò)50千瓦/柜，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心僅為5-15千瓦/柜。僅GPU每卡功耗就可達(dá)300-700瓦。隨著AI工作負(fù)載的擴(kuò)展，下一代數(shù)據(jù)中心必須實(shí)施先進(jìn)的配電架構(gòu)、高效的電壓調(diào)節(jié)器和創(chuàng)新的冷卻解決方案，以維持運(yùn)行效率和可靠性。

Microchip通過(guò)其全面的高效MOSFET、SiC FET和智能柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合來(lái)應(yīng)對(duì)這些不斷增長(zhǎng)的電力需求。這些先進(jìn)的功率器件旨在提供卓越的開(kāi)關(guān)性能、降低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗并增強(qiáng)熱管理能力，這對(duì)于支持AI服務(wù)器所需的高功率密度至關(guān)重要。Microchip的SiC MOSFET支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小磁性元件的尺寸和重量，實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的電源設(shè)計(jì)。智能柵極驅(qū)動(dòng)器提供精確控制、集成保護(hù)功能和強(qiáng)大的診斷能力，確保即使在最苛刻的計(jì)算負(fù)載下也能可靠運(yùn)行。這使得數(shù)據(jù)中心能夠部署更強(qiáng)大的AI服務(wù)器，而不會(huì)超出功率或熱極限。

效率與熱管理

隨著功率密度的增加，在相同或更小的物理空間內(nèi)提供更多電力成為首要任務(wù)。傳統(tǒng)的電源單元和空氣冷卻方法正達(dá)到其運(yùn)行極限，因?yàn)楦叩墓β拭芏葧?huì)產(chǎn)生更多的熱量，并增加因效率低下而導(dǎo)致能量損失的風(fēng)險(xiǎn)。低效的電能轉(zhuǎn)換不僅會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本，還會(huì)導(dǎo)致更大的碳足跡，日益受到監(jiān)管機(jī)構(gòu)和客戶的關(guān)注。有效的熱管理對(duì)于防止過(guò)熱、維持系統(tǒng)可靠性以及延長(zhǎng)關(guān)鍵部件的使用壽命至關(guān)重要。數(shù)據(jù)中心必須找到最大限度地提高效率和管理散熱的方法，同時(shí)最大限度地減少環(huán)境影響并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

Microchip的dsPIC ^?^ 數(shù)字信號(hào)控制器是其數(shù)字電源解決方案的核心，它結(jié)合了單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制能力和數(shù)字信號(hào)處理器的高速數(shù)學(xué)處理能力。這些控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功率級(jí)的精確控制、快速的瞬態(tài)響應(yīng)以及復(fù)雜數(shù)字控制算法的實(shí)施。例如，dsPIC33A系列提供高時(shí)鐘速度、高級(jí)脈寬調(diào)制輸出和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率級(jí)的精確控制、快速的瞬態(tài)響應(yīng)以及復(fù)雜數(shù)字控制算法的實(shí)施。

智能熱管理和電源監(jiān)控可包括溫度傳感器、風(fēng)扇控制器和電源監(jiān)控集成電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱和電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)跟蹤。這些器件可以與DSC無(wú)縫集成，以實(shí)施閉環(huán)冷卻策略、優(yōu)化風(fēng)扇速度并在異常情況下觸發(fā)警報(bào)或關(guān)閉，確保高密度AI服務(wù)器的安全高效運(yùn)行。

安全與數(shù)據(jù)完整性

由于AI服務(wù)器處理大量敏感數(shù)據(jù)，強(qiáng)大的安全協(xié)議至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)威脅和數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)的增加要求實(shí)施先進(jìn)的基于硬件的安全措施和安全啟動(dòng)機(jī)制。組織還需遵守嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如NIST 800-193、通用標(biāo)準(zhǔn)以及FIPS 140-3。開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目也設(shè)定了較高的安全標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注硬件信任根、固件完整性和安全啟動(dòng)過(guò)程。這些安全措施有助于確保AI數(shù)據(jù)服務(wù)器在運(yùn)行前能夠驗(yàn)證和認(rèn)證硬件和軟件，降低網(wǎng)絡(luò)威脅的風(fēng)險(xiǎn)。

Microchip將其強(qiáng)大的安全功能直接集成到其控制器和電源管理集成電路中。這些功能包括硬件信任根、安全啟動(dòng)、加密加速器以及對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持。硬件信任根確保只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的固件和軟件才能在系統(tǒng)上運(yùn)行，而安全啟動(dòng)機(jī)制可防止在啟動(dòng)期間執(zhí)行未經(jīng)授權(quán)的代碼。加密加速器支持基于硬件的快速加密和解密，保護(hù)靜態(tài)和傳輸中的敏感數(shù)據(jù)。這些功能幫助數(shù)據(jù)中心滿足現(xiàn)代安全要求，防范不斷演變的網(wǎng)絡(luò)威脅，并維護(hù)AI工作負(fù)載的完整性和機(jī)密性。

可擴(kuò)展性與靈活性

AI工作負(fù)載日益復(fù)雜，正推動(dòng)著對(duì)AI數(shù)據(jù)服務(wù)器更高的可擴(kuò)展性和靈活性的需求。大語(yǔ)言模型、實(shí)時(shí)分析和AI驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的興起，要求基礎(chǔ)設(shè)施能夠動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以處理激增的計(jì)算需求。AI訓(xùn)練集群正在迅速擴(kuò)展，一些超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心現(xiàn)已部署的GPU架構(gòu)功耗超過(guò)100千瓦/柜。向模塊化服務(wù)器架構(gòu)的轉(zhuǎn)變?cè)试S數(shù)據(jù)中心在無(wú)需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行徹底改造的情況下升級(jí)和重新配置硬件，從而降低成本并提高適應(yīng)性?？山M合基礎(chǔ)設(shè)施解決方案支持根據(jù)工作負(fù)載需求動(dòng)態(tài)分配計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源，確保隨著新模型和應(yīng)用的涌現(xiàn)，AI數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠無(wú)縫擴(kuò)展。

Microchip的模塊化電源管理解決方案（包括數(shù)字控制器、電源模塊和參考設(shè)計(jì)）旨在支持現(xiàn)代AI工作負(fù)載所需的可擴(kuò)展性和靈活性。這些解決方案可以輕松集成到模塊化服務(wù)器架構(gòu)中，允許數(shù)據(jù)中心根據(jù)計(jì)算需求擴(kuò)展供電基礎(chǔ)設(shè)施。Microchip的數(shù)字控制器支持可組合基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在工作負(fù)載演變時(shí)動(dòng)態(tài)分配計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。這種方法降低了成本，提高了適應(yīng)性，并確保隨著新模型和應(yīng)用的涌現(xiàn)，AI數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠無(wú)縫擴(kuò)展。

完善的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)

AI的快速發(fā)展要求數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)器制造商加快開(kāi)發(fā)周期以保持競(jìng)爭(zhēng)力。為AI服務(wù)器設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和部署先進(jìn)的電源系統(tǒng)非常復(fù)雜，如果沒(méi)有合適的資源，可能會(huì)導(dǎo)致延誤和成本增加。為了最大限度地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，獲得經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和專家技術(shù)支持至關(guān)重要。

結(jié)論

AI服務(wù)器電力需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)給數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和技術(shù)提供商帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。通過(guò)采用先進(jìn)的功率器件、創(chuàng)新的冷卻解決方案、強(qiáng)大的安全協(xié)議和智能數(shù)字電源管理，行業(yè)可以有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。Microchip的高效MOSFET、精密的柵極驅(qū)動(dòng)器以及具備先進(jìn)DSP功能的dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器，在實(shí)現(xiàn)卓越性能和能源效率的電源供應(yīng)方面處于前沿地位。

通過(guò)利用先進(jìn)的功率器件、數(shù)字控制器、集成的安全功能和全面的開(kāi)發(fā)工具，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)器制造商能夠設(shè)計(jì)出滿足AI工作負(fù)載（包括由大語(yǔ)言模型驅(qū)動(dòng)的工作負(fù)載）嚴(yán)苛要求的電源系統(tǒng)。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高的效率和功率密度、增強(qiáng)的可靠性和熱管理、強(qiáng)大的安全性、可擴(kuò)展性、靈活性以及更快的開(kāi)發(fā)周期。整個(gè)行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新正在幫助下一代數(shù)據(jù)中心在性能、效率和安全性方面達(dá)到新的基準(zhǔn)，支持AI基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)演進(jìn)。