下一代GPU的預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真分析

在上一期視頻中，我們展示了 MPS 在 AI 領(lǐng)域的解決方案，及其高效率、低功耗、穩(wěn)定供電等優(yōu)勢(shì)。

本期視頻將更加貼近實(shí)際應(yīng)用，由 MPS 資深的 AI 應(yīng)用工程師為大家分享，設(shè)計(jì)一款優(yōu)秀的 AI 解決方案的具體流程！

下一代 GPU 的預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真分析

圖形處理單元（GPU）不斷迭代更新，其中的晶體管數(shù)目也不斷增加以提高處理器性能。如今這個(gè)數(shù)目已達(dá)到數(shù)百億的級(jí)別，與此同時(shí)，功率需求也相應(yīng)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這讓滿(mǎn)足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得極為困難。

今天，我們將演示如何利用 SIMPLIS Technologies 的 SIMPLIS 模擬器來(lái)預(yù)測(cè)并優(yōu)化下一代 GPU 的電源行為。因具有更高斜率要求和超過(guò) 1000A 的電流水平，下一代 GPU 需要更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

01 恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制

在多相降壓變換器的恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）架構(gòu)中，高速比較器代替了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器（EA）。在這種架構(gòu)中，輸出電壓（VOUT）通過(guò)反饋電阻進(jìn)行采樣，再與參考電壓（VREF）進(jìn)行比較。如果 VOUT降至 VREF以下，則上管 MOSFET（HS-FET）導(dǎo)通。由于 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，因此變換器可以在穩(wěn)態(tài)下實(shí)現(xiàn)恒定頻率。如果存在負(fù)載階躍瞬變，變換器還可以大幅提高其脈沖頻率以最大限度地減少輸出下沖。但是，在這種情況下，非線(xiàn)性的環(huán)路控制會(huì)使環(huán)路調(diào)整復(fù)雜化。

圖 1 顯示了用于快速瞬態(tài)響應(yīng)的 COT 控制。

圖1: 用于快速瞬態(tài)響應(yīng)的COT控制

因此，對(duì)變換器的行為和供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）進(jìn)行準(zhǔn)確的建模十分必要，精準(zhǔn)的建?？梢詼p少仿真的迭代時(shí)間，以更低的時(shí)間成本來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)特性仿真以及各種 GPU 系統(tǒng)的驗(yàn)證。

02 供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）

PDN 由電源軌與接地軌之間的線(xiàn)路以及器件構(gòu)成，其中包括電源和接地平面布線(xiàn)、用于維持電路/系統(tǒng)穩(wěn)定性的去耦電容，以及連接或耦合到主功率電路的其他線(xiàn)路。PDN 設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是最小化電壓波動(dòng)并確保 GPU 正常運(yùn)行。

圖 2 為典型的 GPU 供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖2: 典型GPU供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PDN 中的器件之間會(huì)有寄生效應(yīng)，例如電容的等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)。在對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行建模時(shí)，必須考慮寄生參數(shù)的影響，電流或電壓變化速率越大引入的高頻諧波則會(huì)越強(qiáng)。PDN 中的電阻、電感、電容 (RLC) 等組件會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)人員可能意識(shí)不到的諧振回路，變換器工作在諧振點(diǎn)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的高頻諧波，從而導(dǎo)致不可預(yù)知的變換器行為。

03 設(shè)計(jì)規(guī)范

表 1 顯示了 AI 應(yīng)用中的典型電源軌要求。

表1: 電源軌規(guī)范

本分析基于 MPS 評(píng)估板進(jìn)行。該評(píng)估板上將數(shù)字16 相控制器MP2891和 130A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22167-130組合在一起，最高可提供 2000A 電流。

圖3: MPS評(píng)估板

04 PCB 建模

評(píng)估板復(fù)雜的電源和多邊形的接地形狀以及多層堆疊的結(jié)構(gòu)，讓設(shè)計(jì)人員很難通過(guò)布局手動(dòng)計(jì)算電阻和電感。但是，PCB 的散射參數(shù)（S 參數(shù)）可以在 0MHz 至 700MHz 的頻率范圍內(nèi)通過(guò) Cadence Sigrity PowerSI 提取。端口定義如下：端口 1 包含頂部的垂直模塊，端口 2 包含底部的 MPC22167-130 垂直模塊，端口 3 包含電容連接，端口 4 則包含負(fù)載連接。

圖4: 用于提取PCB S參數(shù)的端口配置

為電容連接分配特定端口非常重要，因?yàn)槠鋽?shù)量和排布決定了它們?cè)诰徑鈦?lái)自 GPU 的快速瞬變方面的有效性。不同的電容位置將影響 PCB 的 S 參數(shù)，無(wú)效的位置會(huì)導(dǎo)致瞬變的緩解效果不佳以及功率效率低下。通常建議將電容排成一排，以盡量減小路徑長(zhǎng)度的差異，并根據(jù)諧振頻率下的目標(biāo)阻抗來(lái)選擇電容。

該 PDN 板設(shè)計(jì)中采用了兩種不同的電容類(lèi)型：鋁有機(jī)聚合物電容（Aluminum Organic Polymer Capacitors）和 MLCC 電容。而電壓、額定溫度和結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)會(huì)影響電容有效濾波的頻率。因此，設(shè)計(jì)人員需要在仿真中采用集總電容模型來(lái)考量電容阻抗曲線(xiàn)（見(jiàn)圖 5），從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5: 等效大電容模型及其頻率響應(yīng)

集總電容模型中的 CBYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容阻抗的頻率響應(yīng)。諧振頻率(fO)或最小阻抗點(diǎn)可以通過(guò)公式 (1) 來(lái)確定：

這些電容的主要目的是在導(dǎo)致穩(wěn)壓器模塊（VRM）低電壓調(diào)整率的高頻下保持低阻抗。VRM 低電壓調(diào)整率的原因是其有效帶寬（BW）和相位裕度處于低頻 （<1MHz）位置。因此，電容必須濾除頻率在 VRM BW 之外的信號(hào)，通常這個(gè)范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，而這會(huì)影響 PDN 的操作。

圖 6 為典型的 PDN 阻抗曲線(xiàn)，可以分為三個(gè)區(qū)域：低頻（0MHz 至 1MHz）、中頻（1MHz 至 100MHz）和高頻（100MHz 以上）。該曲線(xiàn)只考慮了處于低頻至中頻范圍內(nèi)的 VRM 和主板，瞬態(tài)負(fù)載施加在球柵陣列（BGA）連接器上。

圖6: PDN阻抗曲線(xiàn)

05 時(shí)域仿真

瞬態(tài)仿真通過(guò) SIMPLIS 仿真器進(jìn)行。SIMPLIS 仿真器是一款開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實(shí)現(xiàn) COT 控制等非線(xiàn)性功能。MP2891 的 SIMPLIS 模型與MPC22167-130以及之前提取的 PCB S 參數(shù)相結(jié)合。在將 S 參數(shù)用于 SIMPLIS 仿真器進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，需要利用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為 RLGC 模型。

圖 7 所示為MP2891 和 MPC22167-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數(shù)作為串聯(lián)電感（L9 和 L3）和電阻（R1 和 R2）添加在圖中。

圖7: MP2891 和 MPC22167-130 的 SIMPLIS 模型

06 相關(guān)性

SIMPLIS 仿真將 MP2891 的非線(xiàn)性特性與精確的功率傳輸建模相結(jié)合，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主板上的瞬態(tài)行為。如圖 8 所示，SIMPLIS 仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量相比較，誤差僅為 5mV。

圖8: SIMPLIS 仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的比較

上文闡述了如何計(jì)算降壓變換器所需的電感，其中包括占空比、導(dǎo)通時(shí)間、?IL、L和IPK的計(jì)算。一旦通過(guò)計(jì)算確定了正確的電感值，系統(tǒng)效率，電電壓調(diào)整率和環(huán)路環(huán)路穩(wěn)定性就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

文中提出的方法在 MPS 評(píng)估板上進(jìn)行，它采用多相控制器 MP2891 和兩相非隔離式高效率降壓電源模塊 MPC22167-130 對(duì)預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真進(jìn)行建模。精確的變換器模型和供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多相降壓變換器的性能、瞬態(tài)下沖和過(guò)沖。根據(jù)仿真結(jié)果，可以通過(guò)減少輸出電容、調(diào)整電路布局方法，在方案初期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。除此以外，如果設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化，精確仿真將可以快速評(píng)估這些變化的影響，并識(shí)別所有潛在問(wèn)題。