低電壓條件下電源紋波和噪聲的測(cè)試挑戰(zhàn)

Sora也好，ChatGPT也好，大模型訓(xùn)練的背后是由高算力芯片所組成的大規(guī)模運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)。Meta等巨頭一出手就是幾十萬(wàn)個(gè)高算力芯片，近千億的投資來(lái)建設(shè)數(shù)據(jù)中心。而作為終端的AI產(chǎn)品，比如AI PC，AI手機(jī)，AI汽車，AI智能家居，依賴的就是終端產(chǎn)品內(nèi)的算力芯片。

圖1: 典型的8xGPU算力系統(tǒng)

晶體管是芯片的基礎(chǔ)組成單元，晶體管的數(shù)量越多，芯片的性能越強(qiáng)。各大芯片設(shè)計(jì)廠家和晶圓廠，就是想方設(shè)法在有限的空間里，通過(guò)更小的工藝尺寸(如3nm)，來(lái)堆積更多的晶體管。

圖2：芯片的集成規(guī)模越來(lái)越高

晶體管工作的時(shí)候需要變化的電壓，代表邏輯1和邏輯0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算或控制。由于開(kāi)關(guān)損耗、短路功耗和漏電功耗的存在，晶體管在工作的時(shí)候會(huì)消耗掉電源功率，產(chǎn)生熱量。

晶體管數(shù)量越來(lái)越龐大之后，散熱這個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題就擺在芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的面前。處理器芯片每平方厘米的面積上，就能產(chǎn)生300瓦的峰值功率，算下是150瓦/平方厘米，已經(jīng)超過(guò)了典型的核反應(yīng)堆的功率密度了。

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心很多都已經(jīng)使用浸沒(méi)式液冷來(lái)進(jìn)行散熱，把服務(wù)器和算力芯片浸沒(méi)在絕緣的、導(dǎo)熱性良好的液體里面，通過(guò)液體的流動(dòng)快速帶走熱量，比傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱效率更高，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

圖3：Chiplet封裝示意圖，存儲(chǔ)單元可以多層堆疊而算力單元只能平鋪

散熱和工藝尺寸一樣，是制約晶體管的密度和規(guī)模增加的難題之一。

解決散熱的其中一個(gè)方案，就是從源頭想辦法，降低電壓。使用更低的工作電壓，將每一顆晶體管的功耗降下來(lái)，就可以堆疊更多的晶體管了。

早期的算力芯片工作電壓是5V，慢慢演化到3.3V，1.8V，1.5V，到了今天，算力芯片和高速接口芯片的工作電壓基本都在1V左右，甚至更低。這就對(duì)電源設(shè)計(jì)和測(cè)量提出了更高的要求。

低電壓條件下電源紋波和噪聲的測(cè)試挑戰(zhàn)

電源是算力芯片的能量來(lái)源，是邏輯狀態(tài)的參考基準(zhǔn)。如果電源的紋波和噪聲過(guò)大，會(huì)給高速變化的邏輯信號(hào)上產(chǎn)生大量抖動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼（注: 誤碼即錯(cuò)誤的碼元, 將邏輯1當(dāng)成邏輯0, 或者將0當(dāng)成1），影響芯片的性能，甚至導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作。高速信號(hào)驗(yàn)證中非常重要的隨機(jī)抖動(dòng)和低頻的周期性抖動(dòng)，就是由于電源的噪聲和紋波所引入的。

圖4：電源紋波和噪聲

電源的紋波和噪聲測(cè)量，一直都是電源工程師們最關(guān)注的問(wèn)題之一。算力芯片更低的工作電壓，導(dǎo)致電源留給紋波和噪聲的裕度變得更小了，給設(shè)計(jì)和測(cè)試都帶來(lái)了難題。

設(shè)計(jì)上，算力芯片普遍采用POL的降壓方式，將DC-DC變壓器盡可能靠近負(fù)載端，可以有效避免傳輸鏈路上引入的外部干擾。

測(cè)試上，使用更高精度、更低底噪的示波器，和專用的電源紋波探頭，降低測(cè)量系統(tǒng)引入的噪聲，才能更準(zhǔn)確地測(cè)量電源紋波和噪聲。

電源紋波和噪聲測(cè)試解決方案

泰克的MSO6B系列示波器的底噪性能十分優(yōu)異，底噪的有效值在20MHZ帶寬下低至8.68uV，1G帶寬下低至51.5uV，是準(zhǔn)確測(cè)量電源紋波和噪聲的優(yōu)選之一。

如果電源電壓是1V，示波器的底噪稍微高一點(diǎn)，裕量還有很大空間，是可行的嗎？這里需要了解兩個(gè)問(wèn)題:

1

儀器的底噪指標(biāo)用的都是有效值。而電源紋波和噪聲的測(cè)量規(guī)范，一般都是用峰峰值。峰峰值和測(cè)量樣本數(shù)相關(guān)，測(cè)量的樣本數(shù)越多，峰峰值越大，我們可以近似的認(rèn)為峰峰值是有效值的10倍以上。

2

電源工程師測(cè)量底噪和紋波都會(huì)使用探頭，而探頭會(huì)引入額外的底噪。

為什么一定要用探頭呢？有幾個(gè)方面的原因，一是探頭使用便捷，二是探頭提供較高的輸入阻抗，對(duì)待測(cè)電路的影響小，三是探頭提供較大的偏置電壓，可以在測(cè)量噪聲和紋波的同時(shí)，觀察到電源直流電壓的變化。尤其當(dāng)芯片的負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化時(shí)，電源的直流電壓也會(huì)隨之改變。

示波器加上探頭，再去測(cè)量一下底噪的峰峰值，你會(huì)發(fā)現(xiàn)原來(lái)底噪并不小。手上有示波器和探頭的工程師不妨試試看，將示波器接上探頭，不接任何待測(cè)信號(hào)。在示波器上打開(kāi)峰峰值測(cè)量，測(cè)量結(jié)果就是系統(tǒng)底噪。

常規(guī)的示波器和探頭，系統(tǒng)底噪峰峰值在5mV以上。而有些算力芯片和通信芯片，要求電源噪聲的峰峰值必須小于3mV。測(cè)量系統(tǒng)的底噪都這么大，測(cè)量結(jié)果怎么可能Pass呢！

為了更準(zhǔn)確的測(cè)量電源紋波和噪聲，泰克推出了專用的電源軌探頭TPR系列，20MHZ帶寬下的底噪的峰峰值（注意是峰峰值）低至300uV，即便在4GHZ的全帶寬下，底噪的峰峰值依然只有1.3mV！而且TPR探頭還支持高達(dá)60V的偏置電壓，多種多樣的探頭附件，不僅測(cè)得準(zhǔn)，用起來(lái)還很方便。

圖4: 泰克TPR電源軌探頭的核心指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)的待測(cè)物，在MSO6B和TPR探頭加持下，令人驚異的電源噪聲測(cè)量結(jié)果

也許你手上的芯片或系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)得很不錯(cuò)，但是紋波和噪聲測(cè)量結(jié)果卻老是超標(biāo)，有沒(méi)有可能只是因?yàn)槟悻F(xiàn)在用的示波器和探頭不給力？

審核編輯：劉清