简介

图形处理单元 (GPU) 不断迭代更新，其中的晶体管数目也不断增加以提高处理器性能。如今这个数目已达到数百亿的级别，与此同时，功率需求也相应呈指数级增长，这让满足瞬态响应规范变得极为困难。

本文将演示如何利用 SIMPLIS Technologies 的 SIMPLIS 模拟器来预测并优化下一代 GPU的电源行为。因具有更高斜率要求和超过 1000A 的电流水平，下一代 GPU需要更快的瞬态响应。

恒定导通时间（COT）控制

在多相降压变换器的恒定导通时间 (COT) 架构中，高速比较器代替了补偿网络中的误差放大器 (EA)。在这种架构中，输出电压(VOUT)通过反馈电阻进行采样，再与参考电压(VREF)进行比较。如果 VOUT 降至 VREF 以下，则上管 MOSFET (HS-FET) 导通。由于MOSFET 的导通时间是固定的，因此变换器可以在稳态下实现恒定频率。如果存在负载阶跃瞬变，变换器还可以大幅提高其脉冲频率以最大限度地减少输出下冲。但是，在这种情况下，非线性的环路控制会使环路调整复杂化。

图 1 显示了用于快速瞬态响应的COT 控制。

因此，对变换器的行为和供电网络 (PDN) 进行准确的建模十分必要，它可以仿真瞬态降压性能并验证各种基于 GPU 的系统，同时还避免了耗时且成本高昂的迭代过程。

供电网络（PDN）

PDN由连接电压和接地轨的多个元件组成，其中包括电源和接地平面布线、用于电源稳定性的去耦电容，以及连接或耦合到主电源轨的任何其他铜特性。PDN 设计的主要目标是最小化电压波动并确保 GPU 正常运行。

图 2 为典型的 GPU 供电网络架构。

PDN 中的组件会表现出寄生行为，例如电容的等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR)。在对系统响应进行建模时，必须考虑这些寄生元件。提高斜率会产生更强的高频谐波。PDN 中的电阻、电感、电容 (RLC) 等组件会产生设计人员可能意识不到的谐振回路，其谐振频率会放大变换器切换所产生的高频谐波，从而导致不可预知的变换器行为。

设计规范

表 1 显示了AI应用中的典型电源轨要求。

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