前言
隨著高性能計算和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，人工智能的算法設(shè)計理念發(fā)生了轉(zhuǎn)變。人工建立算法的做法被計算機通過從大數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)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(guān)鍵領(lǐng)域都出現(xiàn)了重大突破。深度學(xué)習(xí)是這些領(lǐng)域中最常使用的技術(shù)，也被業(yè)界大為關(guān)注。然而，深度學(xué)習(xí)模型需要極為大量的數(shù)據(jù)和計算能力，只有更好的硬件加速條件，才能滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型規(guī)模繼續(xù)擴大的需求。現(xiàn)有的解決方案使用圖形處理單元（GPU），盡管 GPU 對深度學(xué)習(xí)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(yīng)用也受到很大限制。
今天的 CPU 一直無法滿足當(dāng)前計算密集型應(yīng)用（如機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析和視頻處理等）的需求。加上網(wǎng)絡(luò)與存儲方面日益明顯的瓶頸，云服務(wù)供貨商轉(zhuǎn)而采用加速器來提高其云數(shù)據(jù)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(wù)供貨商已宣布在其超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心部署 FPGA 技術(shù)，推動其服務(wù)業(yè)務(wù)在競爭極為激烈的市場不斷發(fā)展。FPGA 能與高度靈敏的云計算環(huán)境形成全面互補，因為它們不僅可程序設(shè)計性，而且還能針對任何新應(yīng)用或新算法進行硬件優(yōu)化。
圖 一 服務(wù)器部署 FPGA 的架構(gòu)
隨著時間的推移，FPGA 可重配置及可再程序設(shè)計的固有能力或許是其在快速發(fā)展領(lǐng)域中的最大優(yōu)勢。FPGA 可利用動態(tài)重配置，在不到一秒的時間內(nèi)針對不同設(shè)計快速變化，從而可針對新的工作負載進行硬件優(yōu)化。 因此，FPGA 能提供復(fù)雜多變超大規(guī)模應(yīng)用所需的靈活性、應(yīng)用廣度和功能速度，這是 GPU 和定制 ASIC 無法實現(xiàn)的。其實FPGA不僅在計算的加速具有良好效果，其也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心存儲和網(wǎng)絡(luò)的加速，FPGA可為云服務(wù)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)帶來綜合的提升。
FPGA作為一個加速卡，已經(jīng)有幾十年的歷史。但是在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用有所不同，FPGA首先要提供云服務(wù)，能夠滿足大規(guī)模部署和運維的需求，滿足云服務(wù)的特性，包括遠程監(jiān)控管理、在線動靜態(tài)邏輯的重構(gòu)，也需要支持各種虛擬機訪問以及支持各種驅(qū)動兼容性，整個加速卡也需要有更高的RAS特性，這些在服務(wù)器里面，可能是比較通用的性質(zhì)，但是先前的FPGA加速卡，并沒有這類應(yīng)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(wù)，一種方案能夠?qū)④浖⑺惴ê陀布蹇桑攒浻惨惑w化的形式。FaaS圍繞深度學(xué)習(xí)預(yù)測、視音頻處理、基因測序、金融分析、IoT等熱點行業(yè)提供了非常完備的解決方案。
圖 二 FaaS（FPGA as a Service）
云端運算數(shù)字多臺并聯(lián)DC-DC電源模塊，可應(yīng)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(shù)字化的需求及提供監(jiān)控方法，我們采用I2C通訊協(xié)議作為客戶取得模塊內(nèi)部信息，如下表。
項目 | 規(guī)格下限 | 規(guī)格中心值 | 規(guī)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(huán)境溫度 | -40℃ |
| +85℃ |
項目 | 規(guī)格下限 | 規(guī)格中心值 | 規(guī)格上限 |
輸入電壓 | 8.0V |
輸出電壓 | 0.6V |
表 3 設(shè)計目標(biāo)規(guī)格
產(chǎn)品 | 功能與規(guī)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(gòu)
根據(jù)下圖三為整合具備數(shù)字及并聯(lián)能力的控制IC與高積體MOSFET及雙線圈厄流器(Power Choke)，透電路設(shè)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(fā)出市面上大功率數(shù)字DC-DC 模塊。圖四為四組并聯(lián)線路，依據(jù)單組模塊進行并聯(lián)使用，可在現(xiàn)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(shù)字DC-DC電源模塊(Block diagram)
圖四 云端運算數(shù)字DC-DC電源模塊并聯(lián)模式(Block diagram)
2. 電性特性比較
根據(jù)計算結(jié)果與實測分析，我司生產(chǎn)制作大功率數(shù)字DC-DC 產(chǎn)品，其效率優(yōu)于市面上產(chǎn)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(guān)切換的損耗，依據(jù)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(lián)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(lián)時，也能夠及時運算并且調(diào)整各組模塊的電流一致性，防止在并聯(lián)時模塊發(fā)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(tài)模塊輸出電流均流
4. PMBus通訊協(xié)議測試
因我司研發(fā)的大功率數(shù)字模塊，采用PMbus通訊協(xié)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(shù)據(jù)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(tǒng)架構(gòu)
圖 九、GUI實測狀態(tài)
Cyntec利用GUI該套軟件，可以直接監(jiān)控模塊目前狀況以及，錯誤訊息，上圖可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測部分輸入電壓、輸出電壓以及電流與溫度，右側(cè)可以顯示目前模塊的狀態(tài)，是否有錯誤訊息。
圖 十Labview 測試狀態(tài)
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(jiān)控模塊目前狀態(tài)以及系統(tǒng)參數(shù)。
深圳市立維創(chuàng)展科技是一家專注代理經(jīng)銷商，主要提供微波功率放大器芯片和進口電源模塊產(chǎn)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(chuàng)展致力為客戶提供高品質(zhì)、高質(zhì)量、價格公正的微波元器件產(chǎn)品。
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