AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...
2024-07-30 09:56:59

AI和生成式AI技术发展,不只是带动了AI数字芯片的大热,现在各类集成电路与电子元器件相关市场参与者都在谈AI,包括感知、存储、通信、电源等等。

其实仔细想想,即便不谈计算之外的环节,一块显卡或AI加速卡上,涉及的组件的确不单是中间那片计算大die及其周边的存储器,还有芯片封装和板子上的各类其他构成要素,包括信号、供电及各类被动器件。

所以今年慕尼黑上海电子展上,村田召开媒体会的主题就是围绕Computing(计算)话题的HPC AI市场。村田在AI加速卡市场提供包括在芯片、封装及主板之上的相关组件产品如下图:

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图1)

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图2)

显然生成式AI的大热,也将带动村田这类行业角色的增长曲线上扬。这次媒体会上,村田主要介绍的是其MLCC陶瓷电容产品,以及一类可能很快就要在HPC AI市场上发光发热的硬货:内置埋容。

一种新型“内置埋容”方案

这种名为“内置埋容”的新品被村田称作“Integrated package solution(集成封装解决方案)”,通俗解释“capacitor embedded substrates(嵌入到基板中的电容)”。村田工程师介绍说,内置埋容就是聚合物铝电容+叠层基板(substrate)构成的新产品。

埋容的电容量密度大约在2.5-3.0μF/mm²范围,厚度约350μm。这里的容值密度按面积来计,故而表现出埋容解决方案的容量密度更大。实际以体积来计,MLCC依然有着最高的容量密度。

内置埋容产品主要有两大特点,其一是pad结构内部集成了通孔,有了通孔,也就能自上而下进行基板不同用途的直接连接。其次,埋容在DC bias(直流偏压)和温度特性上有优势。

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图3)

村田工程师将3种不同尺寸规格的埋容方案,与MLCC做了不同偏置电压与不同温度下,容值变化的对比。在不同偏置电压下,埋容表现出相对平稳的容值;而在高温下,其容值稳定性也优于一般的MLCC。

村田认为,基于埋容的形态和特性,这种产品非常适合用在HPC AI服务器中的AI加速卡上。因为数据中心AI服务器越来越追求更高的效率和更低的功耗。

卢国荣(村田电子贸易(深圳)有限公司市场及业务发展统括部战略营销营业部高级经理)在媒体会上提到AI带来的挑战主要就是高功耗——这的确也是时下HPC AI最热的话题之一。

之所以说埋容方案有利于实现节能、降低功耗,其中一大原因是村田相信,未来AI加速卡会走向垂直供电(Vertical Power Delivery)方案。而在传统方案下,供电模块和计算die位于加速卡的同一侧。

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图4)

为实现节能,应当尽可能缩短主die和供电模组之间的走线距离,这么做还能提升供电效率。所以垂直供电方案应运而生,在此方案下,供电模组位于主板另一侧。原本这个位置的MLCC电容就基本没什么放置空间了,埋容技术即可展现优势。

在供电模组和主IC的封装基板内,都内置埋容,“提供大容值的电容”。工程师告诉我们,这种垂直供电方案明后年就会看到对应的市场需求。

比较遗憾的是,村田暂未对外披露有关埋容相较MLCC,功耗和成本的具体数值。不过工程师在答记者问时提到,“比如100个MLCC都要做SMT焊接,如果用埋容方案可能只需要1片。”更系统的成本对比大概还有商榷的余地,“不能只看器件成本的简单对比”。

村田预计会在明年下半年开始量产这种内置埋容产品。主推的产品会有3种不同尺寸规格,其容值密度、厚度和耐温耐压特性都是一致的。

村田工程师说,村田可以根据客户需求提供不同的供货方式,比如仅提供埋容技术的产品,由客户来埋;或者客户也可以选择将PCB、基板出货给村田,由村田来完成埋容的嵌入操作。“我们也会对最终PCB产品做可靠性、性能等相关测试。”

适用于AI市场的MLCC

除了埋容这种面向未来的解决方案,村田的聚合物铝电容和MLCC陶瓷电容同样是AI市场的刚需。以下是村田面向该市场提供的电容产品的产品线:

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图5)

其中聚合物铝电容是AI加速卡市场使用相当广泛的产品——尤其在考虑到价格、性价比等因素时。工程师表示,村田的470μF聚合物铝电容产品也在朝着low ESR的方向发展。

和埋容方案的比较已经展示了,MLCC的容值虽然会受到DC Bias和温度变化的影响,但一方面“村田官网会标注每颗料的变化特性”,另一方面其ESR相较聚合物电容具备长期稳定性。

此外对于更追求容量密度的AI加速卡,MLCC也更适用:大算力芯片需求高功率,芯片制造工艺技术提升带来更低的核电压,则意味着对纹波大小有更严苛的要求,以及需要更大的电流。

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图6)

也就是说,在AI加速卡尺寸固定的情况下,需要更高的电容量,则意味着对更高容量密度的追求。“这要求我们提供更小型化、大容量的产品”。卢国荣总结,面向AI加速卡市场时,村田的元器件解决方案主要看重两点:高可靠性、高容量密度。

工程师则告诉我们,村田的MLCC开发包括100V和中低电压电容。100V MLCC面向现在比较常见的OAM模组——这类模组的供电通常是48V。“20年前,1210"的MLCC还只能做到1μF电容量,现在1210"已经可以做到10μF了;村田目前能做的还包括0603"/1μF,0805"/2.2μF。”

中低电压MLCC产品“更是村田的强项”,0201"尺寸电容的容量可达10μF——“这是村田0201尺寸做到的容量最大的电容产品”,另外还包括0402"/22μF, 0805"/100μF规格,“都已经在服务器上大量使用”。

此外,村田工程师特别谈到用于芯片封装基板上方(die侧)的表贴电容(DSC)和下方(BGA侧)的背贴电容(LSC)组合方案。表贴电容追求小型化大容量,以及Low ESL;背贴电容除了Low ESL要求外,还追求低厚度。

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图7)

“用更多电容,可以实现阻抗的最优设计。”工程师表示,“反映到阻抗曲线上,大容量电容优化低频阻抗,lowESL电容优化高频阻抗。”“另外,并联更多电容也让ESR更低。”村田对应提供和推荐的产品如上图所示,其中涵盖长宽倒置电容和3端子电容——尤其在背贴电容位置,220μm高度的3端子电容可选0402"/1μF,长宽倒置电容可选0204''/2.2uF产品。

在Low ESL实现方面,长宽倒置电容和3端子电容,相比传统的2端子电容也有明显的优势。“电流通路的长短决定了ESL的大小。长宽倒置电容将电极位置倒了过来,电流通路也就更短;并且Pad变大以后,从整体上来看ESL也就变小了;3端子电容有4条通路,端子和端子间的距离很短,所以3端子电容在高频下的ESL是最低的。”

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图8)

具体到应用上,媒体会上村田着重介绍了3端子MLCC方案、100V高容MLCC,和100μF以上的MLCC。

比如工程师提到一个3端子MLCC可以替代多个2端子MLCC,显著减少占板面积,并因此有效缩短了主芯片和PMIC之间的距离,降低损耗;100V高容MLCC可用于OAM模组;以及100μF以上MLCC,相较聚合物电容在low ESR、容量密度方面的显著优势...具体到产品,本文不做详述。

AI加速卡上的电容,可能将迎来形态大变化...(图9)

总的来说,村田认为中国AI市场规模庞大。卢国荣援引统计机构的数据显示,中国国内不仅AI大模型数量多,而且AI芯片市场快速增长,“从2018年到2025年,CAGR增长率接近70%。”卢国荣谈到,“村田的Computing市场涵盖CPU和各种XPU,乃至网络交换机、光模组等。”

“村田会帮助客户设计性能更好、尺寸更小、长期可靠的产品,这也是村田的重点方向。”他在提及村田于中国AI市场的态度时说,“我们和行业头部企业都有长远的商业合作。我们也会提前收集客户的需求,适配我们的新产品开发。”

基于搭载包括GPU在内的AI加速器的服务器出货量,及其在整个服务器市场的占比还在逐年攀升,以及单台服务器正容纳越来越多的AI加速卡。以村田在被动器件市场的地位,想必村田在AI飞速发展的时代也将收获颇丰——尤其考虑到还有埋容这样的杀手级产品即将走向AI加速卡市场。


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