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摩尔定律为电源系统设计带来什么启示?

Mark Adams?? 2015年11月13日 ?? 收藏0
在摩尔定律(Moore’s Law)50周年纪念的时刻,来自IBM突破性的7纳米(nm)测试芯片的急切宣示,该公司击败了创建先驱者英特尔(Intel)在一个原子等级中不断增加密度的最新圣杯。

IBM技术的十个世代(数据源:IBM)
IBM技术的十个世代(数据源:IBM)

在芯片微缩的比赛进行到7纳米,IBM显现激励该公司探索新途径,以获得晶体管和闸极(gate)的设计创意,并利用专门的技术,以满足不断缩小芯片尺寸此一越来越大的挑战。

一个芯片系统中的晶体管与闸极数量越来越多
一个芯片系统中的晶体管与闸极数量越来越多

虽然这个发布代表半导体产业追求小型化的里程碑,但在诸如密度和性能的进步,也付出了相当的代价。一个特别的挑战是由低核心电压、更高的电流和更严格的新芯片容差(tolerances),衍生出的日益复杂电源要求。这被放大在电路板层面,迫使电力系统工程师寻求新的解决方案以解决不是很快会消失的问题。

达到功率限制

现 在,大量增加的晶体管管数量让我们能够实现在单一裸片上有多个高速处理器,且每个处理器的运行速度可高达3GHz。这种先进的处理器与逻辑组件功能可能是 非常强大的,不过他们也相当「纤弱」—驱动电源电压低于1伏特(V)。现今的处理器运作在100瓦(W)或更高,这意味着,在负载点(POL)电流开始超 过100安培(A)的标记。

还有下降的核心电压、高耸的电流值,且降低芯片体积对电压容差相当大的影响。举例来说,在仅仅2%的电压偏差就会导致处理器关闭,因此,在电压轨保持以往更严格的瞬态响应规格,以供给这些原子芯片,正成为工程师的一个大问题。

新方法

压力是指从这些大电流传递能量效率,低电压系统以意味着处理器和支持逻辑需要频繁地进入低功耗模式,同时能够从电压偏差全面快速地,且没有痛苦地恢复能力。瞬态响应加上精确的电力传输,在这样高可靠性的系统相当重要。

整合一个数字电源控制器到传统的负载点电压转换器,是一个可让电源设计师解决这些加速功率挑战的方法。数字电源允许比现有的模拟电路设计,更加先进的补偿与控制功能。

数位实现的一个关键优势是其允许灵活的控制架构,例如具有多个平行操作的非线性回路。数字负载点模块提供一个改进的响应能力,和增强整体效能,最终提供卓越的动力传输解决方案。CUI最新的POL转换器拥有的功能优势是内建数字PWM控制器,如同Intersil的ZL8800系列提供稳定的电力能在负载条 件迅速应对突然变化的能力。在最新一代的芯片,50、60甚至80安培的负载级数并不罕见,基于数字POL模块的电源传输架构,使其可能在指定公差范围内 将传输电力到原子芯片。

缩小的芯片体积,不断增长的电路板空间?

封装更多处理能力到一个电路板,在系统层级可能可显著的节省空间—特别是在云端运算和数据通讯应用—但若是如此,此空间将损失更大的电源以应付增加的负载电 流。相反的,驱动100A或更高的电流,电源工程师需要不断创新和采用多种领域的新思维。

CUI的最新版本产品可解决此空间的问题,NDM3Z-90在低至0.6Vout,可提供90安培,为了支持更高的电源应用,使用者可以并联多达4个单位,达到360安培,而且由于采用了上述讨论的先进补偿方案,可以大大减少使用外部去耦电容器,让设计人员可以利用更小的芯片提供节省空间的更大优势。

挑战极限

因此IBM 7纳米测试芯片的发布,显示摩尔定律尚未完成。现在电源设计人员所面临的挑战,是这些芯片所带来的,在更小的空间,满足更强大功能的复杂性,工程师需要想 出更新的方式来弥补芯片低核心电压的要求,加上高电流需要去驱动它们,且电容差比以往任何时候都更严苛。如同以往,电源产业将须持续创新…


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摩尔定律? 测试芯片?

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