一、AI加速卡供電的核心原理與挑戰

1. 核心芯片的電壓與電流需求

隨著半導體工藝的不斷進步，AI加速卡的核心芯片（如GPU、xPU）的制程已從7nm、5nm逐步過渡到3nm。制程的提升使得芯片的工作電壓降低，目前標稱核心電壓在0.75至0.9V之間。然而，盡管電壓降低，芯片的電流需求卻大幅增加。在處理模型訓練等高強度運算時，核心所需電流可能達到600至1800A。

2. 傳統供電方式的局限性

傳統的供電方式通常將穩壓器放置在芯片的一側，電流通過PCB的電源層橫向傳輸到處理器。當電流較小時，這種方式尚可接受。但當電流達到數百安培時，PCB電源層傳輸路徑上的壓降會成倍增加，即使是幾厘米的PCB電源走線也會產生大量損耗，導致供電效率降低，甚至影響芯片的穩定性。

二、垂直供電方案：應對高電流挑戰的創新之道 1. 垂直供電的基本概念

為了解決傳統供電方式的局限性，業界提出了垂直供電方案。簡單來說，就是將電源模塊直接安裝在處理器PCB的另一側下方，使電流傳輸的距離縮短為PCB的板厚（通常只有幾毫米），大大減少了電流通過主板的距離。

2. 垂直供電的優勢

• 降低電源傳輸損耗

  ：由于電流傳輸路徑大幅縮短，電源傳輸損耗最高可降低95%，提高了供電效率。

• 改善電源質量

  ：縮短的傳輸路徑減少了寄生參數對電源質量的影響，降低了電源紋波，提升了系統穩定性。

• 增強散熱能力

  ：通過使用高導熱材料或埋嵌銅塊等方式，垂直供電方案還能提高系統的整體散熱能力，確保芯片在高負載下的穩定運行。

在傳統的橫向供電方案中，芯片正下方通常放置多個高頻電容，用于濾除高頻噪聲，減少電源紋波，提供瞬態電流，提升電源響應速度。然而，在垂直供電方案中，電源模塊占據了原本放置高頻電容的位置，因此需要對高頻電容的位置進行調整。

一種解決方案是將高頻電容集成到電源模塊中，但這可能導致電容距離芯片引腳過遠，影響其性能。更理想的方案是將電容分別嵌埋到芯片的基板和電源模塊的PCB中，確保電容與芯片引腳的距離最短，最大程度地發揮其作用。

三、實際應用場景與行業趨勢 1. 數據中心的AI加速卡集群

在數據中心中，AI加速卡通常以集群形式部署，用于處理大規模的機器學習任務。高電流需求和散熱問題在這種場景下尤為突出。垂直供電方案通過降低電源傳輸損耗和提升散熱能力，確保了集群的穩定運行和高效能表現。

2. 邊緣計算設備

隨著邊緣計算的興起，越來越多的AI加速卡被應用于邊緣設備，如智能攝像頭、無人駕駛汽車等。這些設備通常空間有限，對供電效率和散熱能力要求更高。垂直供電方案的緊湊設計和高效能表現，使其成為邊緣計算設備的理想選擇。

3. 行業趨勢：先進封裝與嵌埋元器件

在摩爾定律逐漸失效的背景下，AI計算硬件的升級路徑轉向采用先進封裝和嵌埋元器件等方式，實現互聯堆疊的密度提升。垂直供電方案與這些技術相結合，進一步提升了系統的性能和可靠性，成為未來AI加速卡供電的主流趨勢。

四、總結與展望

• AI加速卡的高電流需求對傳統供電方式提出了嚴峻挑戰。

• 垂直供電方案通過縮短電流傳輸路徑，降低電源損耗，提升供電效率和系統穩定性。

• 高頻電容位置的調整和先進封裝技術的應用，進一步優化了垂直供電方案的性能。