GPU 的預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真分析

如今，圖形處理單元 (GPU) 具有數(shù)百億個(gè)晶體管。隨著每一代新一代 GPU 的出現(xiàn)，GPU 中的晶體管數(shù)量不斷增加，以提高處理器性能。然而，晶體管數(shù)量的增加也導(dǎo)致功率需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，這使得滿足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得更加困難。

如今，圖形處理單元 (GPU) 具有數(shù)百億個(gè)晶體管。隨著每一代新一代 GPU 的出現(xiàn)，GPU 中的晶體管數(shù)量不斷增加，以提高處理器性能。然而，晶體管數(shù)量的增加也導(dǎo)致功率需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，這使得滿足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得更加困難。

本文演示了如何使用SIMPLIS Technologies 的SIMPLIS模擬器來(lái)預(yù)測(cè)和優(yōu)化下一代 GPU 的電源行為，其中高轉(zhuǎn)換率要求和超過(guò) 1,000 A 的電流水平需要更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制

多相降壓轉(zhuǎn)換器的恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 架構(gòu)用高速比較器取代了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器 (EA)。輸出電壓 (V OUT ) 通過(guò)反饋電阻器檢測(cè)，并與參考電壓 (V REF ) 進(jìn)行比較。當(dāng) V OUT降至低于 V REF時(shí)，高側(cè) MOSFET (HS-FET) 導(dǎo)通。MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，這意味著轉(zhuǎn)換器可以在穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)恒定頻率。如果存在負(fù)載階躍瞬變，轉(zhuǎn)換器還可以顯著提高其脈沖率，以限度地減少輸出下沖。然而，在這種情況下，非線性環(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 COT 控制實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

必須對(duì)轉(zhuǎn)換器的行為和供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 進(jìn)行準(zhǔn)確建模，以仿真瞬態(tài)降壓性能并驗(yàn)證各種基于 GPU 的系統(tǒng)，而無(wú)需經(jīng)歷漫長(zhǎng)、昂貴的迭代過(guò)程。

供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)

PDN 由連接到電壓和接地軌的組件組成，包括電源和接地平面布局、用于電源穩(wěn)定性的去耦電容器，以及連接或耦合到主電源軌的任何其他銅特性。PDN 設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是化電壓波動(dòng)并確保 GPU 正常運(yùn)行。

圖 2顯示了典型 GPU 供電網(wǎng)絡(luò)的 PDN 架構(gòu)。

圖 2典型 GPU 供電網(wǎng)絡(luò)的 PDN 架構(gòu)包括連接到電壓和接地軌的組件。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

PDN 中的組件顯示寄生行為，例如電容器的等效串聯(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)，還必須考慮這些寄生元件。增加轉(zhuǎn)換速率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)大的高頻諧波。PDN 的電阻器、電感器、電容器 (RLC) 組件會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)人員可能沒有意識(shí)到的諧振回路，其諧振頻率會(huì)放大轉(zhuǎn)換器開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波，從而導(dǎo)致意外的轉(zhuǎn)換器行為。

表 1顯示了人工智能 (AI) 應(yīng)用的典型電源軌要求。

表 1上面的數(shù)字突出顯示了電源軌的設(shè)計(jì)規(guī)范。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

此分析是使用評(píng)估板執(zhí)行的，該評(píng)估板結(jié)合了16 相數(shù)字控制器MP2891和130 A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22163-130 。評(píng)估板可達(dá) 2,000 A（圖 3）。

圖3評(píng)估板結(jié)合了數(shù)字控制器和降壓電源模塊。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

PCB建模

電源和接地多邊形形狀的復(fù)雜性和多層堆疊使得很難從布局中手動(dòng)計(jì)算電阻和電感。相反，PCB 的散射參數(shù)（S 參數(shù)）可以使用 Cadence Sigrity PowerSI 提取，頻率范圍為 0 MHz 至 700 MHz。端口定義如下： 端口 1 包括頂部的垂直模塊；端口 2 包括底部的垂直 MPC22163-130 模塊；端口 3 包括電容器連接；端口 4 包括與負(fù)載的連接。

圖 4提取 PCB 的 S 參數(shù)需要特定的端口配置。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

為電容器連接分配特殊端口很重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰徑鈦?lái)自 GPU 的快速瞬變方面的有效性取決于數(shù)量和位置。不同的電容器位置會(huì)影響 PCB 的 S 參數(shù)，無(wú)效的定位會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)緩解效果不佳和功率效率低下。通常，建議將電容器排成一排，以盡量減少路徑長(zhǎng)度的差異，并根據(jù)滿足目標(biāo)阻抗規(guī)格所需的諧振頻率來(lái)選擇電容。

此 PDN 板設(shè)計(jì)中使用了兩種不同的電容器類型：大容量電容器和 MLCC 電容器。電壓、額定溫度和結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)會(huì)影響電容器有效濾波的頻率。因此，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員必須在仿真中使用集總電容模型來(lái)考慮電容器的阻抗曲線（見圖5）。

圖 5等效大容量電容器模型和頻率響應(yīng)評(píng)估電容器的阻抗曲線。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

集總電容模型中的C BYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容器阻抗的頻率響應(yīng)。諧振頻率 (f O )，或阻抗點(diǎn)，可以用公式 (1) 確定：

fo = 1/2π√L×C (1)

這些電容器的主要目的是在承受穩(wěn)壓器模塊 (VRM) 效率低下的高頻時(shí)保持低阻抗。出現(xiàn)這種低效率是因?yàn)?VRM 的有效帶寬和相位裕度處于低頻 (<1MHz)。因此，電容器必須濾除頻率在 VRM 帶寬之外的信號(hào)，通常范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，這會(huì)影響 PDN 的操作。

圖 6顯示了典型的 PDN 阻抗曲線，可分為三個(gè)區(qū)域：低頻（0 MHz 至 1 MHz）、中頻（1 MHz 至 100 MHz）和高頻（100 MHz 以上）。這種相關(guān)性只考慮了處于低頻到中頻范圍內(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 阻抗曲線顯示了三個(gè)不同的頻率范圍。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

時(shí)域仿真與關(guān)聯(lián)

瞬態(tài)仿真是使用 SIMPLIS 仿真器進(jìn)行的，SIMPLIS 仿真器是一種開關(guān)電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實(shí)現(xiàn) COT 控制等非線性功能。MP2891 數(shù)字控制器的 SIMPLIS 模型結(jié)合了 MPC22163-130 降壓模塊和之前提取的 PCB 的 S 參數(shù)。在將 S 參數(shù)用于 SIMPLIS 模擬器進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，必須使用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為 RLGC 模型。

圖 7顯示了 MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數(shù)作為串聯(lián)電感器（L9 和 L3）和電阻器（R1 和 R2）添加到原理圖中。

圖 7 SIMPLIS 模型對(duì) MP2891 和 MPC22163-130 進(jìn)行瞬態(tài)仿真。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

SIMPLIS 仿真將 MP2891 數(shù)字控制器的非線性與準(zhǔn)確的功率傳輸建模相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主板上的瞬態(tài)行為。圖 8顯示了 SIMPLIS 仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的比較，其中差異僅為 5 mV。

圖 8 SIMPLIS 仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量之間只有 5 mV 的差異。資料：?jiǎn)纹娫聪到y(tǒng)

為什么要進(jìn)行瞬態(tài)仿真？

本文在評(píng)估板上使用多相控制器和兩相非隔離式高效降壓電源模塊對(duì)預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真進(jìn)行建模。的轉(zhuǎn)換器模型和供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)允許準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多相降壓轉(zhuǎn)換器的性能、瞬態(tài)下垂和過(guò)沖。

因此，可以通過(guò)減少輸出電容器的數(shù)量并確定其有效位置來(lái)在早期階段優(yōu)化處理器設(shè)計(jì)。此外，如果設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)生變化，準(zhǔn)確的模擬可以快速評(píng)估這些變化的影響，并識(shí)別任何潛在問題。