Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) erfordern eine höhere Leistung und eine schnellere Verarbeitung, was einige Änderungen im Design von Power-Management-ICs (PMICs) vorantreibt. Diese neuen Anforderungen reichen von einer höheren Stromunterstützung und einer besseren Effizienz bis hin zu einem verbesserten Wärmemanagement und einer kleineren Lösungsgröße.
Power IC Die Hersteller sind sich einig, dass KI-Fähigkeiten neue Anforderungen insbesondere an Effizienz, Einschwingverhalten und Lösungsgröße stellen. Diese Anforderungen wirken sich auf alle Marktsegmente aus, sei es für Automobil-, Industrie- oder Rechenzentrumsanwendungen.
„Die schnelle Einführung von Edge-KI, d. was keine zusätzlichen Kondensatoren in der Anwendung erfordert – also wiederum eine reduzierte Lösungsgröße und ein geringer EMI-Footprint, da Endpunktanwendungen typischerweise HF- und möglicherweise Video- und Audiofunktionen beinhalten, die rauschempfindlich sind“, sagte James Lam, Senior Product Marketing Manager, Renesas Electronics Corp.
Für Automobilanwendungen sind der Bedarf an höherer Leistung und schnellerer Verarbeitung zwei wichtige Must-haves. „KI-Anwendungen erfordern im Vergleich zu konventionelleren Verarbeitungsvorgängen eine deutlich höhere Leistung und auch eine sehr schnelle Reaktion auf die Bereitstellung von Leistung“, sagte Tom Sandoval, Senior Vice President, GM, Automotive Business Segment, Dialog Halbleiter. „Gerade bei ADAS [Advanced Driver Assistance Systems] und KI sind die „Frameraten“ extrem hoch, hier erfordern die einzelnen Schnappschüsse der von der Kamera erfassten Situation eine schnellere Verarbeitung und massiv mehr davon.“
Sandoval sagte, dass dies zwei Auswirkungen auf die Energieverwaltung hat. „Nummer eins, die einzelnen Kerne im SoC, die diese Daten verarbeiten, nehmen zu, um die erhöhten Daten parallel und mit höherer Geschwindigkeit zu verarbeiten. Dies bedeutet, dass die Gesamtstromanforderungen für den SoC viel höher sind. Nummer zwei, die erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit der Kerne bedeutet die aktuelle und Spannung Übergangskanten sind viel schneller“, sagte er.
Die neuen mehrphasigen Geräte DA914X-A von Dialog sind für diese Art von Anwendung optimiert. „Sie haben eine bessere Transientenleistung, geringere Verluste, einen besseren Wirkungsgrad, eine optimierte Wärmeableitung und eine minimierte Strom- und Spannungswelligkeit als die einphasigen Pendants der Konkurrenz“, sagte Sandoval.
Dialog hat die DA914X-A-Produktfamilie von Hochstrom-DC/DC-(Buck)-Abwärtswandlern in Automobilqualität für KI-basierte Automobilanwendungen entwickelt. Die DA914X-A-Familie zielt auf KI-SoCs im Automobilbereich ab und ist eine Alternative zu Leistungslösungen, die eine Kombination aus Leistungsregler und diskreten FETs erfordern. Die neue Familie integriert Leistungs-FETs und die gesamte erforderliche Steuerlogik in einem hochintegrierten monolithischen Bauteil. Für den Betrieb sind nur wenige externe Komponenten erforderlich, was die Systemstücklistenkosten und den Lösungs-Footprint unter 170 mm . senkt2nach Angaben des Unternehmens.
Laut Sandoval verwenden viele Kunden einen Satz diskreter Komponenten, aber die DA914X-Familie kann diese Anforderungen in einem einzigen monolithischen PMIC mit geringerer Grundfläche, niedrigeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit erfüllen.
„Im Vergleich zur Konkurrenz hat der DA9141-A niedrigere PCB-Kosten und geringere Gesamtbauhöhen für Low-Profile-Anwendungen; hat mehr Flexibilität, bietet die Möglichkeit, die Induktoren und Kondensatoren optimal in der Nähe des Lastpunktes zu platzieren, und hat eine verteilte Verlustleistung, was zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung führt – entscheidend für ein effizientes Wärmemanagement“, sagte er.
Die DA914X-A-Bausteine liefern Stromstärken von bis zu 40 Ampere und sollen extrem energieeffizient sein, wodurch die thermischen Designherausforderungen bei der Versorgung komplexer Automobil-SoCs mit sehr hohem Strombedarf reduziert werden. Dadurch eignet sich die Produktfamilie gut für die Stromversorgung von Grafik- oder KI-Embedded-Prozessoren, die in maschinellen Lern- und Bildverarbeitungsanwendungen für autonome Fahrzeuge verwendet werden.
Die Produktfamilie DA914X-A für KI-basierte Automobilanwendungen (Quelle: Dialog Halbleiter)
Die DA914X-A-Familie besteht derzeit aus zwei Geräten: dem DA9141-A und dem DA9142-A. Der DA9141-A arbeitet als einkanaliger, vierphasiger Buck Konverter, liefert bis zu 40-A-Ausgangsstrom, während der DA9142-A als einkanaliger, zweiphasiger Abwärtswandler arbeitet und bis zu 20-A-Ausgangsstrom liefert. Alle Geräte haben einen Eingangsspannungsbereich von 2.8 V bis 5.5 V und einen Ausgangsspannungsbereich von 0.3 V bis 1.3 V, wodurch sie für eine Vielzahl von Low-Power-Systemen geeignet sind.
Zu den Hauptmerkmalen der DA914X-A-Produkte gehören der Mehrphasenbetrieb für bessere Transientenleistung, geringere Verluste, bessere Effizienz, optimierte Wärmeableitung und minimierte Strom- und Spannungswelligkeiten im Vergleich zu einer einphasigen Architektur. Es bietet außerdem eine verteilte Verlustleistung für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung und ein effizientes Wärmemanagement. Weitere Funktionen sind Remote-Sensing, voll programmierbarer Softstart und konfigurierbare GPIOs, die I2C-, DVC- und Power-Good-Anzeige unterstützen.
Die Familie bietet auch eine dynamische Spannungssteuerung, die eine adaptive Anpassung der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Last ermöglicht, was die Effizienz erhöht, wenn die nachgeschaltete Schaltung in den Low-Power- oder Idle-Modus wechselt, was zu Stromeinsparungen führt, so das Unternehmen.
Die DA914X-A-Geräte sind AEC-Q100 Grade 1 qualifiziert und sind in a
4.5 × 7.0 mm, 0.6-Pin-FC-BGA-Gehäuse mit 60 mm Rastermaß. Es sind auch industrielle/kommerzielle Versionen erhältlich.
Renesas Electronics bietet auch ein neues hochintegriertes PMIC für KI-Prozessoren an, das jedoch auf industrielle Anwendungen ausgerichtet ist. Der 215300-Kanal-PMIC RAA2 ergänzt die RZ/V2L- und RZ/GXNUMXL-Mikroprozessoren (MPUs) von Renesas, die für KI-fähige Anwendungen entwickelt wurden.
Lam sagte, dass der neue RAA215300 PMIC gut für Edge-KI-Anwendungen geeignet ist. „Es bietet eine bis zu 15 % höhere Effizienz als die Stromversorgungslösungen der Konkurrenz und das schnelle Ansprechen auf Lasttransienten unterstützt die RZ-MPU- und DRP-AI-Anwendungen, ohne dass zusätzliche Ausgangskondensatoren erforderlich sind, und bietet außerdem die kompletten DDR4- und DDR3L-Stromversorgungslösungen einschließlich VDDQ, VTT-, VREF- und VPP-Unterstützung, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Lösungsgröße minimiert werden.“
Darüber hinaus vereinfachen die Funktionen zur Reduzierung von EMI und Rauschkopplung die HF-, Video- und Audio-Subsystemdesigns, die auf hochwertige KI-Produkte zur Bild- und Spracherkennung ausgerichtet sind, sagte er.
Der RAA215300 kombiniert sechs Abwärtsregler (unterstützt 5 A, 3.5 A, 2 × 1.5 A, 1 A, 0.6 A), drei LDOs (unterstützt 2 × 300 mA, 50 mA), eine Echtzeituhr und eine Knopfzelle/ Supercap-Ladegerät. Dieser hohe Integrationsgrad reduziert die Designkomplexität und erhöht die Systemzuverlässigkeit mit weniger Komponenten auf der Platine. Es unterstützt DDR4-, DDR4L-, DDR3- und DDR3L-Speicher mit dedizierten VREF-, VTT- und VPP-Schienen. Das PMIC ermöglicht auch vierlagige Leiterplatten (PCBs), die Kosten reduzieren.
Das 215300-Kanal-PMIC RAAXNUMX für industrielle KI-Anwendungen (Quelle: Renesas Electronics)
Das Gerät ist mit einem eingebauten EEPROM konfigurierbar. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40°C bis 105°C für industrielle Anwendungen. Zu den weiteren Funktionen gehören das Spread-Spektrum zur Reduzierung von EMI für HF-Anwendungen, der Ultraschallmodus zur Eliminierung hörbarer Rauschkopplungen in Mikrofone oder Lautsprecher und ein integrierter Watchdog-Timer für das sichere Hochfahren des Systems, bevor Software ausgeführt wird.
Der RAA215300 bildet zusammen mit dem RZ/G2L, RZ/V2L und mehreren anderen Angeboten von Renesas eine gewinnbringende Kombination für ein skalierbares SMARC-System (Smart Mobility ARChitecture).Modulen (SoM) mit KI-Design. Neben der MPU und dem PMIC von Renesas umfasst diese gewinnbringende Kombination Leistungsregler, einen USB-PD-Controller und ein Taktgerät.
Musterlieferungen des RAA215300 sind ab sofort verfügbar, und die Massenproduktion soll im ersten Quartal 2022 beginnen.
PMIC-Hersteller liefern auch neue Leistungs-ICs für Kommunikations- und Netzwerkgeräte, Server und Speicher. Ein Beispiel ist ein mehrphasiger KI-Chipsatz von Maxime Integrated Products, Inc. Dieser Chipsatz treibt KI-Hardwarebeschleuniger an, darunter GPUs, FPGAs, ASICs und xPUs, um die Lösungseffizienz zu steigern und die Lösungsgröße zu reduzieren, sagte Steven Chen, Director of Business Management für die Cloud and Data Center Business Unit bei Maxim Integrated.
Der MAX16602 AI verfügt über eine Dual-Ausgangsspannung Regler und der intelligente Leistungsstufen-IC MAX20790 bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine kleine Gesamtlösungsgröße für Hochleistungs-KI-Systeme. Der Chipsatz nutzt die aktuelle Ripple-Cancellation-Funktion von Maxims patentierter Kopplung Induktor, behauptet eine Effizienzsteigerung von einem Prozent im Vergleich zu Lösungen von Mitbewerbern, was sich in einer Effizienz von mehr als 95 Prozent bei 1.8-V-Ausgangsspannung und 200-A-Lastbedingungen niederschlägt.
„Es gibt einen unstillbaren Durst nach Computern“, sagte Chen. „Power-Management-ICs müssen eine hohe Effizienz erreichen und hohe Ströme mit einem Hochgeschwindigkeits-Power-Management-Bus unterstützen. Neue PMICs müssen die KI-Lösung eines Kunden ermöglichen, indem sie den Sweetspot der Leistungs- und Funktionsanforderungen verstehen.“
Chen sagte, dass es mehrere neue Anforderungen an PMICs gibt, die mit der Notwendigkeit einer Hochstromunterstützung (>500 A) mit hoher Effizienz, verbessertem Einschwingverhalten und niedrigem Ruhestrom einhergehen. Weitere Anforderungen sind Telemetrie über PMBus, Schutzfunktionen, Lösungsgröße zur Anpassung an den Formfaktor, Kühlung und Stromversorgung zur Optimierung der Leistung.
Der neue Chipsatz trifft all diese Punkte. Die Lösung ist für unterschiedliche Ausgangsstromanforderungen von 2 bis 16 Phasen skalierbar (der thermische Auslegungsstrom beträgt typischerweise 60 A bis 800 A oder mehr), und der gekoppelte Induktor mit niedrigem Profil (<4 mm) ist anpassbar, um mehrere Formfaktoren zu unterstützen, wie z Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) und OCP-Beschleunigermodule (OAM).
KI-Systeme, die mit den Mehrphasen-Chipsätzen MAX16602 und MAX20790 implementiert sind, sollen im Vergleich zu Konkurrenzlösungen weniger Wärme erzeugen. Dank der gekoppelten Induktivität von Maxim Technologie und monolithisch integrierten Leistungsstufen-ICs mit beidseitiger Kühlung wird der Leistungsverlust durch eine um 50 Prozent niedrigere Schaltfrequenz reduziert.
MAX16602CL8EVKIT-Board (Quelle: Maxim Integrated)
Maxim Integrated stellte auch fest, dass der monolithisch integrierte Ansatz „praktisch den parasitären Widerstand und die Induktivität zwischen FETs und Treibern eliminiert“, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Der MAX16602 mit den gekoppelten Induktivitäten und intelligenten Leistungsstufen-ICs implementiert hocheffiziente Kernregler mit verbessertem Einschwingverhalten und niedrigem Ruhestrom. Reglerparameter zum Schutz und zur Abschaltung können über die serielle Schnittstelle mit dem PMBus-Protokoll eingestellt und überwacht werden.
Die Geräte MAX16602 und MAX20790 sind auf der Website von Maxim Integrated (einschließlich Mustern) und seinen autorisierten Händlern erhältlich.
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