次世代GPU向けの予測過渡シミュレーション解析

Marisol Cabrera

Tomas Hudson

Marlon Eguia

PDFをダウンロード

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

図1 : COT制御による高速過渡応答

コンバータの動作と電力供給ネットワーク (PDN) は、長くてコストのかかる反復プロセスを経ずに、過渡の降圧パフォーマンスをエミュレートし、さまざまなGPUベースのシステムを検証するために正確にモデル化する必要があります。

電力供給ネットワーク (PDN)

PDNは、電源およびグランドプレーンのレイアウト、電力安定性用に使用されるデカップリングコンデンサ、主電源レールに接続または結合するその他の銅線機能など、電圧およびグランドレールに接続された部品で構成されます。PDN設計の主な目的は、電圧変動を最小限に抑え、GPUの正常な動作を確保することです。

図2は、一般的なGPU電力供給ネットワークの PDNアーキテクチャを示しています。

図2 : 一般的なGPU電力供給ネットワークのPDNアーキテクチャ

PDNの部品は、コンデンサの等価直列インダクタンス (ESL) や等価直列抵抗 (ESR) などの寄生動作を示します。システム応答をモデル化する際には、これらの寄生要素も考慮する必要があります。スルーレートを増加すると、より強力な高周波高調波が生成されます。PDNの抵抗、インダクタ、ADコンデンサ (RLC) 部品は、コンバータのスイッチングによって生成される高周波の高調波を増幅する共振周波数を持つ、設計者が気づいていない共振タンクを生成し、コンバータの予期せぬ動作を引き起こします。

設計仕様

表1は、人工知能 (AI) アプリケーションの一般的な電源レール要件を示しています。

表1 : 電源レールの仕様

この解析は、MP2891、デジタル、16フェーズコントローラ、そしてMPC22163-130、130A、2フェーズ、非絶縁、ステップダウン電源モジュールを組み合わせたMPS評価ボードを使用して行われました。 評価ボードは最大2000Aに達することができます。

図3 : MPSの評価ボード

PCBモデリング

電源およびグランドのポリゴン形状と多層スタックアップの複雑さにより、レイアウトから抵抗とインダクタンスを手計算することが困難になります。代わりに、PCBの散乱パラメータ (Sパラメータ) は、0MHz～700MHzの周波数幅でCadence Sigrity PowerSIを使用して抽出できます。ポートは次のように定義されています : ポート1には上面の垂直モジュールが含まれ、ポート2には底面の垂直MPC22163-130モジュールが含まれ、ポート3にはコンデンサ接続が含まれ、ポート4には負荷への接続が含まれる。

図4 : PCBのSパラメータを抽出するためのポート構成

GPUからの高速過渡を軽減する効果は量と配置の両方に依存するため、コンデンサ接続に特別なポートを割り当てることが重要です。コンデンサの位置の違いはPCBのSパラメータに影響し、効果的な配置ではない過渡の緩和が不十分になり、電力効率が低下する可能性があります。一般的に、パスの長さの差を最小限に抑えるためにコンデンサを一列に配置し、ターゲットのインピーダンス仕様を満たすために必要な共振周波数に基づいて静電容量を選択することを推奨します。

このPDNボード設計では、バルクコンデンサとMLCCコンデンサという2つの異なるコンデンサのタイプが使用されています。電圧、温度定格、構成材料などのパラメータは、コンデンサがフィルタリングで効果を発揮する周波数に影響を与えます。したがって、設計を最適化するために、設計者はシミュレーションで集中容量モデルを使用してコンデンサのインピーダンスプロファイルを考慮する必要があります (図5参照)。

図5 : 等価バルクコンデンサモデルと周波数応答

集中容量モデルのCBYPASS、ESL、およびESRは、コンデンサのインピーダンスの周波数応答を定義します。共振周波数 (f_O)、または最小インピーダンスポイントは、式 (1) で決定できます。

これらのコンデンサの主な目的は、電圧レギュレータモジュール (VRM) が非効率的で高周波にさらされた場合に低インピーダンスを維持することです。この非効率は、VRMの実効帯域幅 (BW) と位相余裕が低周波数 (<1MHz) であるため発生します。したがって、コンデンサはVRMの帯域幅外の周波数 (通常は数百kHzから数MHzの幅) の信号をフィルタリングする必要があり、これがPDNの動作に影響を与える可能性があります。

図6は、低周波数 (0MHz～1MHz)、中周波数 (1MHz～100MHz)、および高周波数 (100MHz以上) の3つの領域に分割できる代表的なPDNインピーダンスプロファイルを示しています。この相関関係では、低周波数から中周波数の幅にあるVRMとマザーボードのみが考慮されており、過渡負荷はボールグリッド アレイ (BGA) コネクタに適用されます。

図6 : PDNインピーダンスプロファイル

時間領域シミュレーション

過渡シミュレーションは、COT制御などの非線形機能を有効にするスイッチング電源システム回路シミュレーションソフトウェアであるSIMPLISシミュレータを使用して実行されます。MP2891のSIMPLISモデルは、MPC22163-130および以前に抽出されたPCBのSパラメータと結合されます。Sパラメータは、SIMPLISシミュレータで過渡解析に使用する前に、Dassault SystemsのIdEMを使用してRLGCモデルに変換する必要があります。

図7は、MP2891およびMPC22163-130のSIMPLISモデルを示しています。ここで、Sパラメータは直列インダクタ (L9およびL3) および抵抗 (R1およびR2) として回路図に追加されています

図7 : MP2891およびMPC22163-130のSIMPLISモデル

相関関係

SIMPLISシミュレーションは、MP2891の非線形性と正確な電力供給モデリングを組み合わせることで、マザーボード上の過渡動作を正確に予測可能にします。図8はSIMPLISシミュレーションと実験室測定の比較を示していますが、その差はわずか5mVです。

図8 : SIMPLISシミュレーションと実験室での測定

結論

本稿では、降圧コンバータに必要なインダクタンスを計算する手順を説明しました。これには、デューティサイクル、ターンオン時間、∆I_L、L、およびI_PKを含みます。正しいインダクタンス、システム効率を決定することで∆V_OUT、ループの安定性も最適化できます。

本稿では、 MP2891、マルチフェーズコントローラ、およびMPC22163-130、MPS評価ボード上の2相、非絶縁、高効率ステップダウン電源ブロックを使用して、過渡シミュレーションをモデル化しました。正確なコンバータモデルと電力供給ネットワーク パラメータにより、マルチフェーズ降圧コンバータの性能、過渡電圧降下、およびオーバーシュートを正確に予測できます。その結果、出力コンデンサの数を減らし、それらの効果的な配置を決定することにより、初期段階でプロセッサ設計を最適化することができます。さらに、設計仕様が変更された場合、正確なシミュレーションにより、これらの変更の影響を迅速に評価し、潜在的な問題を特定することができます。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!