Intel Foundry 解析堆叠多芯片架构下扩展与供电的权衡

作者：Kaladhar Radhakrishnan、Nicolas Butzen 和 Vishal Javvaji

半导体行业已将多芯片和堆叠裸片架构视为持续提升性能的主要路径。随着单片式设计的推进变得愈发困难和昂贵，芯粒、先进封装和 3D 集成技术能够为 AI 和高性能计算（HPC）系统带来更高的性能、带宽和功能集成度。

然而，堆叠裸片、多芯片架构的成功也暴露出日益严峻的供电挑战。随着更多计算资源被集成到封装中，电流密度和独立电压域数量急剧上升，对共享供电资源提出了前所未有的要求。

为应对这些挑战，我们在最近的供电白皮书中讨论了 Intel Foundry 如何将电压调节更靠近负载。通过支持更高电压的电力分配，集成稳压器（IVR）可降低封装内的电流密度，提供更高的调节带宽，并减少对大型去耦电容网络的依赖。Intel Foundry 的产品组合涵盖封装集成磁性电感器、全电容式 IVR 芯粒以及先进封装集成技术，为提升电源完整性、效率和可扩展性提供了多种路径。

堆叠裸片架构的系统级影响

先进封装在性能、带宽和集成密度方面带来了显著提升。然而，在日益复杂的封装和互连结构中稳定地分配电力，为维持整个封装的电源完整性带来了新的挑战。

其中一个后果就是电压骤降。当 AI 工作负载导致电流需求快速波动时，供电网络必须即时响应。一旦无法做到，电压可能短暂跌破目标水平，从而影响性能。为保证可靠性，设计人员通常会添加电压保护带和工作裕量。这些保障措施虽然有效，却会限制芯片无法达到其最优的效率和性能。

多芯片和堆叠裸片架构还加剧了信号密度与供电之间的权衡。随着更多计算模块、内存接口和裸片间链路的加入，布线拥塞加剧，导致电阻增大、电压裕量收紧以及供电约束不断增加。

让供电更靠近负载

随着电流密度持续上升，业界正转向将电压转换更靠近消耗点的架构，在降低供电损耗的同时提升对快速变化工作负载的响应能力。Intel Foundry 正在推进多项围绕这一原则设计的互补技术。

采用 CoaxMIL 的 FIVR：Intel 是全集成稳压器（FIVR）的早期开拓者，该技术将最后一级电压转换移至处理器之上。通过缩短稳压器与负载之间的距离，FIVR 有助于降低分配损耗并改善瞬态响应。

为支持不断攀升的电流密度，英特尔开发了 CoaxMIL——一种磁性电感器技术，能在占用面积更小的情况下提供远高于以往方案的电流密度（见图 1）。对于构建下一代 AI 和 HPC 设备的客户而言，这意味着更高的电源转换效率、对负载变化更快的响应，以及更高效地利用宝贵的封装空间。其结果是获得更大的性能潜力，而电源传输复杂性却无需成比例增加。

图 1：CoaxMIL 磁性电感器技术。

C2VR：英特尔代工的连续电容式电压调节器（C2VR）则将电压转换引向了另一个方向。C2VR 不依赖传统电感器，而是采用高密度电容器技术，在极其紧凑的形态下实现高效的电压转换。

由于电容器直接集成在电压调节器芯片粒上，C2VR 能够同时实现高效率和极高的电流密度。它还能快速响应突发的电流需求，帮助最大限度减少 AI 加速器中常见的突发性负载切换期间的电压骤降。对客户而言，其收益是更好的电源完整性、更严格的电压控制，以及一个能够支持未来多千安负载的可扩展方案。

IVR 芯片粒架构：这些专用的电源管理芯片粒使电压转换可以比传统基于主板的调节器更靠近计算裸片。IVR 芯片粒架构的主要优势在于灵活性。架构师可以将电压调节放置在收益最大的位置——无论是封装着陆侧、嵌入封装层内，还是位于计算裸片下方。这种灵活性使架构师能够针对特定应用优化电源传输，同时降低配电损耗并提升整体效率。在先进的堆叠裸片系统中，这些架构还为垂直供电方案打开了大门，从而缩短配电距离并改善电源完整性。

电源传输的未来

随着 AI 系统的快速演进，电源传输正变得与晶体管和封装创新同等关键，共同决定性能扩展。下一代数据中心架构将需要一整套解决方案，使电源转换更靠近负载、在极端电流密度下提升效率，并在日益动态的负载下保持稳定运行。英特尔代工技术是重要的基石，有助于确保未来的计算平台能够持续扩展性能，而不受电源传输网络的制约。

本博客是关于电源传输创新的两部分系列中的第二篇。第一部分探讨了数据中心能源趋势如何影响芯片电源传输。

Nicolas Butzen 是英特尔的首席工程师。

Vishal Javvaji 是英特尔代工的工艺集成经理。