最新一代芯片算力水平飙升1000倍，芯片供电面临重重挑战。FF600R12ME4本期播客，我们邀请到英飞凌首席工程师RobertoRizzolatti博士，深入探讨48V架构的优势及多种拓扑结构，以及它们如何支持AI及数据中心发展日益增长的需求。
一、算力狂飙，功耗挑战升级
AI芯片的算力水平究竟有多大？根据嘉宾所述，最新一代芯片算力水平相比八年前提高了1000倍——算力从20万亿次浮点运算，跃升至20,000万亿次浮点运算。这个跨越堪称是革命性的突破。
图片来自英飞凌官微
计算能力增强导致功耗同步激增，给芯片供电带来巨大挑战。由于功率损耗与电流的平方成正比，如果电流降至原来的四分之一，那么功率损耗将降至原来的十六分之一。采用48V架构能够显著降低电流，从而大幅减少传输损耗、减轻电气应力，并有助于简化滤波器设计，最终有效降低终端客户的TCO。正因如此，48V供电架构在数据中心、人工智能计算等领域正逐步成为重要的行业趋势。
二、两级转换与两大主流架构
然而，48伏架构的使用也存在限制和挑战，具体来说从48伏供电开始，需要采用两级供电方式为这颗ASIC供电，每一级都面临挑战。
1.第一级：中间总线变换器（IBC）
核心是追求极限效率，需尽可能降低拓扑的固有损耗。目前最先进的主流技术是‌LLC谐振变换器‌。‌固定变比的DCX变换器‌在追求极致效率的场景中也值得关注。
在降低硅基和磁性元件中的电流应力方面，英飞凌也探索出了很多方法，并且已经提出了一些降低损耗的思路和产品。
图片来自官网WepowerAIIBC宣传视频
2.第二级：电压调节模块（VRM）
核心挑战：
电流密度。它不仅需要与电流增长趋势保持一致，同时还必须维持高效率。随着整体功率水平的不断提升，散热设计也需持续优化，以确保系统在实际运行中的高效表现。
瞬态性能。它会直接制约系统性能表现，否则便需要依赖大量电容来进行补偿。因此，在VRM级别必须重点关注瞬态响应能力。
当前应对措施：
采用多相并联架构；
使用高性能集成功率级（如DrMOS）；应用先进控制算法优化动态响应；
并在使用GaN等器件的条件下提升开关频率，以提高功率密度。
3.两种架构
3.1.加速卡架构（附有ASIC芯片基板，由48V电源供电。金属连接器连接到通用底板以获得高速信号，以及电源，即48V电源轨）
特点：第一级通常采用‌非稳压的DC-DC变换器（DCX）‌，其核心优势在于通过消除稳压环节，实现‌理论上的极限效率（通常>98%）和极高的功率密度‌。第二级紧邻ASIC放置，为芯片提供精确、快速的电压调节。这‌极大地缩短了高电流、低电压的传输路径‌，有效降低了路径损耗并优化了动态响应。
优势：性能最优，缩短了高电流传输路径
挑战：机械挑战：对散热空间、元件高度、布局面积具有严苛限制，元件布局位置可为顶部或底部。电气方面：48伏电源与中间总线转换器必须尽量靠近ASIC及VRM以减少损耗。布线距离越长，平方损耗就越大，瞬态性能也会越差。核心挑战：ASIC尺寸随算力提升而增加，若维持现有板卡尺寸，高功率设计的可用空间就会受限。
3.2.基于供电板的架构（适配传统12伏系统，可以将48伏转换为12伏）
特点：核心理念是适配传统12V系统，通过前端12V卡将48V转换为稳压12V总线。12V总线可为ASICVRM供电，同时支持风扇、内存及其他辅助设备。安装便捷，模块化，可直接放入机箱1U空间。结构标准化、成本低、集成容易。
挑战：在稳压转换器中，无法达到非稳压方案的高效率，且不适合超高功率水平。
三、拓扑比较：稳压方案vs非稳压方案
在前面介绍了两种48V架构和两级转换方式后，我们来对比不同拓扑方案的特点：稳压。前面介绍了两种48V架构和两级转换方式，其核心差异在于第一级转换环节采用‌非稳压方案（DCX）‌还是‌稳压方案（如LLC）‌，这直接决定了系统在效率、功率密度及集成复杂度上的权衡。选择合适的拓扑是实现高性能AI数据中心供电优化的关键。
TCO与效率对比（成本/能效）
1.第一种架构（加速卡/非稳压方案）
优势：缩短高电流传输路径→更低线路损耗。
举例：例如，在数据中心机柜内长距离配电时，若采用传统12V总线，由于电流是48V方案的4倍，其线路损耗理论最高可达48V方案的16倍（P_loss∝I²）。
限制：无法使用极端电压比（如5:1、6:1、8:1）来降低电压再放大电流，因为高电流低电压难以沿板卡安全传输。
结论：性能最优，能效最好，是高功率、高性能应用：超高功率AI加速卡、HPC服务器的首选。
2.第二种架构（稳压12V方案）
优势：适配传统12V系统，便于集成。
劣势：稳压转换本质上效率较低，不适合大功率场景→可能增加TCO。
因此，48V非稳压架构适合高性能、高效率场景，而12V稳压架构成本低、易集成，但效率相对较低。选择取决于对性能、效率与总拥有成本（TCO）的综合权衡。
3.拓扑特点
接下来让我们再来看看各方案拓扑特点：
稳压转换器非稳压转换器
核心目标提供稳定的电压总线（如传统12V系统）。在固定增益下实现最高效的电压变换。
核心挑战/特点电感尺寸限制：为实现高效稳压，电感是必要的，但其尺寸与电流处理能力相关，制约了功率密度的提升。效率优先：通常不追求电压调节，而是专注于在特定变比下达到极致的转换效率。
典型拓扑与方案1.传统降压转换器
效率受限于开关和导通损耗。
2.开关电容级联方案
利用开关电容为后级降压器提供更优的输入电压，优化整体性能。
3.部分功率处理架构
由高效率非稳压主通路处理大部分功率，配合小功率精密稳压器进行微调，兼顾效率与精度。1.LLC谐振转换器（DCX模式）
通过软开关技术实现极高效率，副边采用低耐压MOSFET以优化高电流下的导通损耗。
2.开关电容拓扑
天生具有高功率密度潜力，适合高度集成。
3.混合拓扑
结合LLC与开关电容等技术的优点，在满足电气隔离要求的同时，进一步优化磁件和半导体器件的损耗，提升功率能力。
对于高性能AI数据中心，非稳压架构及其优化拓扑能更好地满足高算力芯片对高效率、高功率密度的需求，有助于降低TCO；而稳压架构更易于集成到现有12V系统，适合为中低功率设备供电，但在应对千瓦级超高功率时存在效率与密度瓶颈。通过采用开关电容、混合方案等先进拓扑，可以持续推动供电系统性能边界。
四、趋势：变比演进、垂直供电与系统效率提升
在高性能AI数据中心中，中间总线电压的变比设计至关重要。‌当前最主流的是4:1变比（48V转12V）‌，其兼容性强，技术成熟。然而，该方案存在瓶颈：它导致后级VRM输入电压偏高（12V），为实现极低输出电压（~1V）必须工作在极低占空比，这限制了开关频率提升和电感小型化，从而制约了系统功率密度与瞬态性能。
因此，行业正积极向‌更高变比（如8:1，48V转6V）演进‌。这能显著优化VRM的工作条件（降压比更合理），使其可采用更高开关频率和更小电感，从而‌突破系统级的功率密度和动态响应瓶颈‌。5:1、6:1等比例是这一演进路径上的重要探索。
不同变比的特征对比：
图片来自英飞凌官微
随着ASIC尺寸不断增大，VRM与ASIC之间的横向布置受限，供电路径难以进一步缩短。将VRM放置在芯片底部的垂直供电架构可以显著缩短供电距离，降低PDN阻抗和功率损耗，从而提升第一级和第二级转换效率、功率密度及整个系统的瞬态性能。
此外，这种优化架构在能效上带来双重收益：不仅减少系统运行功耗，还降低冷却能耗，从而有效降低终端客户的总拥有成本（TCO）。尽管垂直布局在机械、散热及两级电压输送上存在一定挑战，但它已经成功解决了第二级与ASIC之间的配电瓶颈，成为未来高性能AI数据中心电源架构的重要发展方向。
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