下一代GPU的預(yù)測瞬態(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。

本期視頻將更加貼近實際應(yīng)用，由 MPS 資深的 AI 應(yīng)用工程師為大家分享，設(shè)計一款優(yōu)秀的 AI 解決方案的具體流程！

下一代 GPU 的預(yù)測瞬態(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。如今這個數(shù)目已達到數(shù)百億的級別，與此同時，功率需求也相應(yīng)呈指數(shù)級增長，這讓滿足瞬態(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 模擬器來預(yù)測并優(yōu)化下一代 GPU 的電源行為。因具有更高斜率要求和超過 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)通時間（COT）控制

在多相降壓變換器的恒定導(dǎo)通時間（COT）架構(gòu)中，高速比較器代替了補償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器（EA）。在這種架構(gòu)中，輸出電壓（VOUT）通過反饋電阻進行采樣，再與參考電壓（VREF）進行比較。如果 VOUT降至 VREF以下，則上管 MOSFET（HS-FET）導(dǎo)通。由于 MOSFET 的導(dǎo)通時間是固定的，因此變換器可以在穩(wěn)態(tài)下實現(xiàn)恒定頻率。如果存在負載階躍瞬變，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，非線性的環(huán)路控制會使環(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，對變換器的行為和供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）進行準確的建模十分必要，精準的建模可以減少仿真的迭代時間，以更低的時間成本來實現(xiàn)瞬態(tài)特性仿真以及各種 GPU 系統(tǒng)的驗證。

02 供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）

PDN 由電源軌與接地軌之間的線路以及器件構(gòu)成，其中包括電源和接地平面布線、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路。PDN 設(shè)計的主要目標是最小化電壓波動并確保 GPU 正常運行。

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)。在對系統(tǒng)響應(yīng)進行建模時，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越強。PDN 中的電阻、電感、電容 (RLC) 等組件會產(chǎn)生設(shè)計人員可能意識不到的諧振回路，變換器工作在諧振點附近時會產(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 評估板進行。該評估板上將數(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評估板

04 PCB 建模

評估板復(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)計人員很難通過布局手動計算電阻和電感。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 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，因為其數(shù)量和排布決定了它們在緩解來自 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)，無效的位置會導(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，以盡量減小路徑長度的差異，并根據(jù)諧振頻率下的目標阻抗來選擇電容。

該 PDN 板設(shè)計中采用了兩種不同的電容類型：鋁有機聚合物電容（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)會影響電容有效濾波的頻率。因此，設(shè)計人員需要在仿真中采用集總電容模型來考量電容阻抗曲線（見圖 5），從而優(yōu)化設(shè)計。

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)或最小阻抗點可以通過公式 (1) 來確定：

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，通常這個范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，而這會影響 PDN 的操作。

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

圖6: PDN阻抗曲線

05 時域仿真

瞬態(tài)仿真通過 SIMPLIS 仿真器進行。SIMPLIS 仿真器是一款開關(guān)電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實現(xiàn) COT 控制等非線性功能。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 的非線性特性與精確的功率傳輸建模相結(jié)合，從而準確預(yù)測主板上的瞬態(tài)行為。如圖 8 所示，SIMPLIS 仿真與實驗室測量相比較，誤差僅為 5mV。

圖8: SIMPLIS 仿真與實驗室測量的比較

上文闡述了如何計算降壓變換器所需的電感，其中包括占空比、導(dǎo)通時間、?IL、L和IPK的計算。一旦通過計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)定性就能進一步實現(xiàn)優(yōu)化。

文中提出的方法在 MPS 評估板上進行，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 對預(yù)測瞬態(tài)仿真進行建模。精確的變換器模型和供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)能夠準確預(yù)測多相降壓變換器的性能、瞬態(tài)下沖和過沖。根據(jù)仿真結(jié)果，可以通過減少輸出電容、調(diào)整電路布局方法，在方案初期進行優(yōu)化設(shè)計。除此以外，如果設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化，精確仿真將可以快速評估這些變化的影響，并識別所有潛在問題。