云服務器FPGA架構及其電源方案初探
發布時間：2019-12-05 11:37:34 瀏覽：2655
前言
隨著高性能計算和人工智能技術的快速發展以及大數據的爆發式增長，人工智能的算法設計理念發生了轉變。人工建立算法的做法被計算機通過從大數據中自動學習的方法所取代，使得計算機視覺、語音識別、自然語言處理等關鍵領域都出現了重大突破。深度學習是這些領域中最常使用的技術，也被業界大為關注。然而，深度學習模型需要極為大量的數據和計算能力，只有更好的硬件加速條件，才能滿足現有數據和模型規模繼續擴大的需求。現有的解決方案使用圖形處理單元（GPU），盡管 GPU 對深度學習算法而言在性能方面是一種更好的選擇，但其功耗太高使得應用也受到很大限制。
今天的 CPU 一直無法滿足當前計算密集型應用（如機器學習、數據分析和視頻處理等）的需求。加上網絡與存儲方面日益明顯的瓶頸，云服務供貨商轉而采用加速器來提高其云數據中心的整體吞吐量和效率。
亞馬遜、微軟和百度等大型云端服務供貨商已宣布在其超大規模數據中心部署 FPGA 技術，推動其服務業務在競爭極為激烈的市場不斷發展。FPGA 能與高度靈敏的云計算環境形成全面互補，因為它們不僅可程序設計性，而且還能針對任何新應用或新算法進行硬件優化。
圖 一 服務器部署 FPGA 的架構
隨著時間的推移，FPGA 可重配置及可再程序設計的固有能力或許是其在快速發展領域中的最大優勢。FPGA 可利用動態重配置，在不到一秒的時間內針對不同設計快速變化，從而可針對新的工作負載進行硬件優化。 因此，FPGA 能提供復雜多變超大規模應用所需的靈活性、應用廣度和功能速度，這是 GPU 和定制 ASIC 無法實現的。其實FPGA不僅在計算的加速具有良好效果，其也可以應用于數據中心存儲和網絡的加速，FPGA可為云服務計算、存儲、網絡帶來綜合的提升。
FPGA作為一個加速卡，已經有幾十年的歷史。但是在數據中心應用有所不同，FPGA首先要提供云服務，能夠滿足大規模部署和運維的需求，滿足云服務的特性，包括遠程監控管理、在線動靜態邏輯的重構，也需要支持各種虛擬機訪問以及支持各種驅動兼容性，整個加速卡也需要有更高的RAS特性，這些在服務器里面，可能是比較通用的性質，但是先前的FPGA加速卡，并沒有這類應用場景需求，也不具備這些特性，存在很大缺失。FPGA更重要的是一種FaaS（FPGA as a Service）服務，一種方案能夠將軟件、算法和硬件板卡集成，以軟硬一體化的形式。FaaS圍繞深度學習預測、視音頻處理、基因測序、金融分析、IoT等熱點行業提供了非常完備的解決方案。
圖 二 FaaS（FPGA as a Service）
云端運算數字多臺并聯DC-DC電源模塊，可應用之輸入電壓范圍從8.0~15V，輸出電壓則為0.6~1.8V，IC操作頻率為500KHz，搭載尺寸13.5x13.7mm，雙組電感，感值為0.2uH電感，另為了滿足數字化的需求及提供監控方法，我們采用I2C通訊協議作為客戶取得模塊內部信息，如下表。
項目 | 規格下限 | 規格中心值 | 規格上限 |
輸入電壓 | 8.0V | 12V | 15V |
輸出電壓 | 0.6V |
| 1.8V |
最大電流 |
| 60A |
|
工作頻率 | 500KHz | 500KHz |
|
軟啟動時間 |
| 3ms~10ms |
|
輸出漣波(PWM) |
| 0.5%Vo |
|
峰值效率 |
| 92.8% peak |
|
輸出電壓負載變化量 | Vo -0.5% |
| Vo + 0.5% |
瞬時負載變動率 | Vo -2.5% |
| Vo +2.5% |
可工作環境溫度 | -40℃ |
| +85℃ |
項目 | 規格下限 | 規格中心值 | 規格上限 |
輸入電壓 | 8.0V |
輸出電壓 | 0.6V |
表 3 設計目標規格
產品 | 功能與規格 |
MSN12AD60-RUD 
| n Maximum Load:60A n Input Voltage Range from 8V to 15V n Output Voltage Range from 0.6V to 1.8V n Configurable Digital Loop Compensation - Auto-Control Real-Time Adaptive Loop Compensation n SMBus Interface with PMBus Power System Management Protocol n Precision Measurement & Telemetry Reporting: VOUT, IOUT, VIN, EOUT, Temperature, Fsw, Duty Cycle n Programmable Protection & Warning - Output OVP, OCP, SCP, UV, LOS Warning - Input UVLO, OVLO - Internal & External OTP - Phase Loss fault - Temperature Compensated Faults - Configurable SALRT n Single-Pin Configuration with Eight Profile Tables n Power Management and Conversion - SwitchFrequencyto500kHz - Programmable VOUT, Voltage Tracking, Margining, & Sequencing - Adjustable Load-Line - Power Good, System Good, & Remote Power Down |
1. 電路架構
根據下圖三為整合具備數字及并聯能力的控制IC與高積體MOSFET及雙線圈厄流器(Power Choke)，透電路設計，計算出電感之感量需求，以及減少銅線線圈及磁性粉材量，進而開發出市面上大功率數字DC-DC 模塊。圖四為四組并聯線路，依據單組模塊進行并聯使用，可在現有輸出60A以下再增加輸出電流至200A，采用PM-Bus Interface 控制方法，并且利用I2C傳輸接口控制各模塊輸出電壓、偵測輸出電流、溫度以及控制每個模塊電流均流。
圖三、云端運算數字DC-DC電源模塊(Block diagram)
圖四 云端運算數字DC-DC電源模塊并聯模式(Block diagram)
2. 電性特性比較
根據計算結果與實測分析，我司生產制作大功率數字DC-DC 產品，其效率優于市面上產品，因為我們采用堆棧制程，將電感堆棧至模塊上方，利用銅柱搭接，增加電流路徑，降低損耗，并且選用高積體 MOSFET 減少開關切換的損耗，依據以上原因進而提高滿載整體效率。
圖五、模塊效率量測
3. 模塊并聯均流
MSN12AD60-RUD 該模塊具備自動均流的功能，并且此功能再多顆模塊并聯時，也能夠及時運算并且調整各組模塊的電流一致性，防止在并聯時模塊發生功率不一致。圖量測模塊電感電流
圖六、模塊輸出電流均流
圖七、動態模塊輸出電流均流
4. PMBus通訊協議測試
因我司研發的大功率數字模塊，采用PMbus通訊協議并且利用I2C傳輸，可以藉由PC搭配GUI與DONGLE(圖19) 進而對模塊進行數據讀取與控制輸出電壓，因此這邊針對該功能進行測試。
圖八、PMbus 系統架構
圖 九、GUI實測狀態
Cyntec利用GUI該套軟件，可以直接監控模塊目前狀況以及，錯誤訊息，上圖可以發現監測部分輸入電壓、輸出電壓以及電流與溫度，右側可以顯示目前模塊的狀態，是否有錯誤訊息。
圖 十Labview 測試狀態
Cyntec利用Labview 撰寫程序仿真MCU在工作的時候，送入PMbus 訊號，也是可以監控模塊目前狀態以及系統參數。
深圳市立維創展科技是一家專注代理經銷商，主要提供微波功率放大器芯片和進口電源模塊產品，代理品牌包含AMCOM、PICO、Cyntec、CUSTOM MMIC、RF-LAMBDA、ADI、QORVO、MA-COM、SOUTHWEST西南微波等，立維創展致力為客戶提供高品質、高質量、價格公正的微波元器件產品。
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