Le applicazioni di intelligenza artificiale (AI) richiedono una potenza maggiore e un'elaborazione più rapida, il che sta determinando alcuni cambiamenti nella progettazione dei circuiti integrati di gestione dell'alimentazione (PMIC). Questi nuovi requisiti vanno da un supporto di corrente più elevato e una migliore efficienza a una migliore gestione termica e dimensioni della soluzione più ridotte.
Potenza IC I produttori concordano sul fatto che le capacità di intelligenza artificiale stanno determinando nuovi requisiti in particolare per l'efficienza, la risposta transitoria e le dimensioni della soluzione. Questi requisiti hanno un impatto su tutti i segmenti di mercato, che si tratti di applicazioni automobilistiche, industriali o per data center.
“La rapida adozione dell'intelligenza artificiale perimetrale, ovvero dispositivi endpoint che integrano funzionalità di intelligenza artificiale, crea la necessità di PMIC in grado di alimentare quei dispositivi con un'elevata efficienza per estendere la durata della batteria, dimensioni ridotte della soluzione poiché la maggior parte delle applicazioni ha dimensioni limitate, capacità transitorie di carico rapido, che non richiede condensatori aggiuntivi nell'applicazione, quindi, ancora una volta, dimensioni della soluzione ridotte e basso impatto EMI poiché le applicazioni endpoint includono tipicamente RF e possibilmente funzionalità audio e video sensibili al rumore", ha affermato James Lam, senior product marketing manager, Renesas Electronics Corp.
Per le applicazioni automobilistiche, la necessità di una potenza maggiore e di un'elaborazione più rapida sono due requisiti fondamentali. "Le applicazioni di intelligenza artificiale richiedono una potenza significativamente più elevata e richiedono anche una risposta molto rapida per fornire potenza rispetto all'elaborazione più convenzionale", ha affermato Tom Sandoval, vicepresidente senior, GM, Automotive Business Segment, Dialog Semiconduttore. "In particolare per ADAS [sistemi avanzati di assistenza alla guida] e AI, i "frame rate" sono estremamente elevati, è qui che le singole istantanee della situazione catturate dalla fotocamera richiedono un'elaborazione più rapida e molto di più."
Sandoval ha affermato che questo ha due effetti sulla gestione dell'alimentazione. “Numero uno, i singoli core nel SoC che elaborano questi dati aumentano di numero per elaborare in parallelo i dati aumentati ea una velocità maggiore. Ciò significa che i requisiti attuali complessivi per il SoC sono molto più elevati. Numero due, i core hanno aumentato la velocità di elaborazione significa che l'attuale e voltaggio i bordi di transizione sono molto più veloci", ha affermato.
I nuovi dispositivi multifase DA914X-A di Dialog sono ottimizzati per questo tipo di applicazione. "Hanno prestazioni transitorie migliori, perdite inferiori, migliore efficienza, dissipazione termica ottimizzata e correnti e tensioni di ripple ridotte al minimo rispetto agli equivalenti monofase della concorrenza", ha affermato Sandoval.
Dialog ha progettato la famiglia di prodotti DA914X-A di convertitori DC/DC (buck) step-down di livello automobilistico ad alta corrente per applicazioni automobilistiche basate sull'intelligenza artificiale. Destinata ai SoC IA per autoveicoli, la famiglia DA914X-A è un'alternativa alle soluzioni di alimentazione che richiedono una combinazione di controller di alimentazione e FET discreti. La nuova famiglia integra i FET di potenza e tutta la logica di controllo richiesta in un dispositivo monolitico altamente integrato. Per il funzionamento sono necessari solo pochi componenti esterni, il che riduce i costi della distinta base del sistema e l'ingombro della soluzione inferiore a 170 mm2, secondo l'azienda.
Sandoval ha affermato che molti clienti utilizzano una serie di componenti discreti, ma la famiglia DA914X può soddisfare queste esigenze in un singolo PMIC monolitico con un ingombro ridotto, un costo inferiore e una maggiore affidabilità.
“Rispetto alla concorrenza, il DA9141-A ha costi PCB inferiori e altezze complessive dei componenti inferiori per applicazioni a basso profilo; ha più flessibilità, offrendo l'opportunità di posizionare in modo ottimale gli induttori e i condensatori vicino al punto di carico e ha una dissipazione di potenza distribuita, con conseguente distribuzione più uniforme del calore, fondamentale per una gestione termica efficiente", ha affermato.
I dispositivi DA914X-A forniscono livelli di corrente fino a 40 ampere e si dice che siano estremamente efficienti dal punto di vista energetico, riducendo le sfide di progettazione termica dell'alimentazione di SoC automobilistici complessi con requisiti di corrente molto elevati. Ciò rende la famiglia di prodotti particolarmente adatta per alimentare processori grafici o integrati con intelligenza artificiale utilizzati in applicazioni di machine learning e visione per veicoli autonomi.
La famiglia di prodotti DA914X-A per applicazioni automobilistiche basate sull'intelligenza artificiale (Fonte: Dialog Semiconduttore)
La famiglia DA914X-A è attualmente composta da due dispositivi: DA9141-A e DA9142-A. Il DA9141-A funziona come un buck a singolo canale e quad-fase convertitore, fornendo fino a 40 A di corrente di uscita, mentre DA9142-A funziona come un convertitore buck a canale singolo e bifase, fornendo fino a 20 A di corrente di uscita. Tutti i dispositivi hanno un intervallo di tensione in ingresso da 2.8 V a 5.5 V e un intervallo di tensione in uscita da 0.3 V a 1.3 V, che li rende adatti a una varietà di sistemi a bassa potenza.
Le caratteristiche principali dei prodotti DA914X-A includono il funzionamento multifase per migliori prestazioni transitorie, minori perdite, migliore efficienza, dissipazione termica ottimizzata e correnti e tensioni di ripple ridotte al minimo rispetto a un'architettura monofase. Offre inoltre una dissipazione di potenza distribuita per una distribuzione più uniforme del calore e una gestione termica efficiente. Altre caratteristiche includono il telerilevamento, il soft start completamente programmabile e GPIO configurabili che includono il supporto per I2C, DVC e l'indicatore Power Good.
La famiglia offre anche un controllo dinamico della tensione che consente la regolazione adattativa della tensione di alimentazione in base al carico, il che aumenta l'efficienza quando il circuito a valle entra in modalità a bassa potenza o inattivo, con conseguente risparmio energetico.
I dispositivi DA914X-A sono qualificati AEC-Q100 Grado 1 e sono disponibili in a
Pacchetto FC-BGA a 4.5 pin da 7.0 × 0.6 mm, passo 60 mm. Sono disponibili anche versioni di livello industriale/commerciale.
Renesas Electronics offre anche un nuovo PMIC altamente integrato per processori AI, sebbene destinato ad applicazioni industriali. Il PMIC a nove canali RAA215300 integra i microprocessori (MPU) RZ/V2L e RZ/G2L di Renesas progettati per applicazioni abilitate per l'intelligenza artificiale.
Lam ha affermato che il nuovo PMIC RAA215300 è adatto per le applicazioni edge AI. “Offre fino al 15% in più di efficienza rispetto alle soluzioni di alimentazione della concorrenza e la rapida risposta ai transitori di carico supporta le applicazioni RZ MPU e DRP-AI senza richiedere condensatori di uscita aggiuntivi e fornisce anche le soluzioni di alimentazione DDR4 e DDR3L complete, tra cui VDDQ, Supporta VTT, VREF e VPP, riducendo al minimo il numero di componenti e le dimensioni della soluzione.”
Inoltre, le funzionalità di riduzione dell'EMI e dell'accoppiamento del rumore semplificano i progetti di sottosistemi RF, video e audio destinati a prodotti di intelligenza artificiale di alta qualità per immagini e riconoscimento vocale, ha affermato.
Il RAA215300 combina sei regolatori buck (che supportano 5 A, 3.5 A, 2 × 1.5 A, 1 A, 0.6 A), tre LDO (che supportano 2 × 300 mA, 50 mA), un orologio in tempo reale e una cella a bottone/ caricatore del supercondensatore. Questo livello di elevata integrazione riduce la complessità del progetto e aumenta l'affidabilità del sistema con un minor numero di componenti sulla scheda. Supporta la memoria DDR4, DDR4L, DDR3 e DDR3L con binari VREF, VTT e VPP dedicati. Il PMIC consente anche schede a circuito stampato (PCB) a quattro strati, che riducono i costi.
Il PMIC a nove canali RAA215300 per applicazioni AI industriali (Fonte: Renesas Electronics)
Il dispositivo è configurabile con una EEPROM incorporata. L'intervallo della temperatura di esercizio è compreso tra -40°C e 105°C per le applicazioni industriali. Altre caratteristiche includono lo spettro esteso per ridurre l'EMI per le applicazioni RF, la modalità ultrasonica per eliminare l'accoppiamento del rumore udibile nei microfoni o negli altoparlanti e un timer watchdog integrato per l'accensione sicura del sistema prima dell'esecuzione di qualsiasi software.
RAA215300 si accoppia con RZ/G2L, RZ/V2L e molte altre offerte Renesas in una combinazione vincente per un sistema scalabile SMARC (Smart Mobility ARChitecture)modulo (SoM) con progettazione AI. Oltre a MPU e PMIC Renesas, questa combinazione vincente include controller di alimentazione, un controller USB PD e un dispositivo orologio.
Le spedizioni di campioni del RAA215300 sono ora disponibili e la produzione in serie dovrebbe iniziare nel primo trimestre del 2022.
I produttori di PMIC stanno inoltre fornendo nuovi circuiti integrati di alimentazione per apparecchiature di comunicazione e rete, server e storage. Un esempio è un chipset AI multifase di Massima Integrated Products, Inc. Questo chipset alimenta acceleratori hardware AI tra cui GPU, FPGA, ASIC e xPU per aumentare l'efficienza della soluzione e ridurre le dimensioni della soluzione, ha affermato Steven Chen, direttore della gestione aziendale per la Business Unit Cloud e Data Center di Maxim Integrated.
I core AI MAX16602 hanno tensione a doppia uscita regolatore e il circuito integrato della fase di potenza intelligente MAX20790 offrono elevata efficienza e dimensioni totali ridotte della soluzione per sistemi IA ad alta potenza. Il chipset sfrutta l'attuale funzionalità di cancellazione dell'ondulazione dell'accoppiata brevettata Maxim Induttore, affermando un miglioramento dell'efficienza dell'95% rispetto alle soluzioni della concorrenza, che si traduce in un'efficienza superiore al 1.8% con una tensione di uscita di 200 V e condizioni di carico di XNUMX A.
"C'è una sete insaziabile di computer", ha detto Chen. “I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione devono raggiungere un'elevata efficienza e supportare correnti elevate con un bus di gestione dell'alimentazione ad alta velocità. I nuovi PMIC devono abilitare la soluzione AI di un cliente comprendendo il punto debole dei requisiti di potenza e funzionalità.
Chen ha affermato che ci sono diversi nuovi requisiti per i PMIC, che portano alla necessità di un supporto ad alta corrente (>500 A) con alta efficienza, risposta ai transitori migliorata e bassa corrente di riposo. Altri requisiti includono la telemetria tramite PMBus, le funzioni di protezione, le dimensioni della soluzione per adattarsi al fattore di forma, il raffreddamento e l'alimentazione per ottimizzare le prestazioni.
Il nuovo chipset colpisce tutti questi punti. La soluzione è scalabile da 2 a 16 fasi per diversi requisiti di corrente di uscita (la corrente di progettazione termica è tipicamente da 60 A a 800 A o più) e l'induttore accoppiato a basso profilo (<4 mm) è personalizzabile per supportare più fattori di forma come Periferiche di interconnessione di componenti express (PCIe) e moduli acceleratori OCP (OAM).
Si dice che i sistemi AI implementati con i chipset multifase MAX16602 e MAX20790 generino meno calore rispetto alle soluzioni della concorrenza. Grazie all'induttore accoppiato di Maxim la tecnologia e i circuiti integrati monolitici integrati dello stadio di potenza di raffreddamento dual-side, la perdita di potenza è ridotta grazie a una frequenza di commutazione inferiore del 50%.
Scheda MAX16602CL8EVKIT (Fonte: Maxim Integrated)
Maxim Integrated ha anche osservato che l'approccio integrato monolitico "elimina praticamente la resistenza parassita e l'induttanza tra FET e driver" per ottenere l'elevata efficienza.
Il MAX16602 con gli induttori accoppiati e i CI intelligenti dello stadio di potenza implementano regolatori di base ad alta efficienza con risposta ai transitori migliorata e bassa corrente di riposo e l'architettura aiuta a ridurre il numero di componenti e consentire una gestione avanzata dell'alimentazione e telemetria e aumentare il risparmio energetico sull'intero intervallo di carico. I parametri del regolatore per la protezione e lo spegnimento possono essere impostati e monitorati tramite l'interfaccia seriale utilizzando il protocollo PMBus.
I dispositivi MAX16602 e MAX20790 sono disponibili sul sito Web di Maxim Integrated (inclusi campioni) e sui suoi distributori autorizzati.
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