VPD（垂直供電），在最近這撥AI熱中徹底被帶火了。

今年CES上，英偉達(dá)確定Rubin會(huì)用VPD方案。根據(jù)英偉達(dá)的說(shuō)法，Rubin架構(gòu)將搭載更寬、更多的HBM4顯存，HBM因?yàn)橐呀?jīng)占據(jù)了GPU封裝周?chē)锌臻g，物理位置已經(jīng)沒(méi)有給橫向供電（LPD），因此VPD是確定性方案。

無(wú)獨(dú)有偶，英特爾、谷歌也都已開(kāi)始嘗試VPD方案。甚至，華為也在關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，華為有一項(xiàng)關(guān)于“芯片垂直供電系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請(qǐng)，該專利旨在提供一種為芯片供電的電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）設(shè)計(jì)方案。

可以說(shuō)，VPD將會(huì)是現(xiàn)代處理器最關(guān)鍵的技術(shù)之一。那么，這項(xiàng)技術(shù)有哪些值得關(guān)注的細(xì)節(jié)，哪些廠商在布局這項(xiàng)技術(shù)？今天EEWorld將進(jìn)行詳細(xì)的解析。

為什么必須是VPD

長(zhǎng)期以來(lái)，處理器的供電任務(wù)一直由環(huán)繞在芯片封裝四周的多相電壓調(diào)節(jié)器承擔(dān)，如下圖所示，便是常見(jiàn)的橫向供電（LPD）。其提供了兩級(jí)供電系統(tǒng)：第一級(jí)為非穩(wěn)壓IBC，將48V降壓至IBV；第二級(jí)由多個(gè)VR構(gòu)成，為GPU不同域提供精確穩(wěn)壓和調(diào)頻功能，同時(shí)滿足瞬態(tài)要求。

盡管這一方案技術(shù)成熟、久經(jīng)考驗(yàn)，卻受制于基礎(chǔ)物理定律。隨著處理器工作電流不斷攀升，供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）內(nèi)的電阻和電感效應(yīng)所引發(fā)的功率損耗也隨之加劇。

英偉達(dá)的Hopper GPU橫向供電架構(gòu)

即便采用了先進(jìn)的主板設(shè)計(jì)與電源優(yōu)化技術(shù)，這種“橫向供電” 模式仍會(huì)在處理器與本地電源之間形成漫長(zhǎng)且曲折的電流路徑。一方面，這些路徑會(huì)產(chǎn)生額外的寄生參數(shù)，不僅降低了供電效率，還會(huì)劣化瞬態(tài)響應(yīng)能力，而對(duì)于電流需求瞬息萬(wàn)變的AI工作負(fù)載而言，瞬態(tài)響應(yīng)恰恰是決定性能的關(guān)鍵。另一方面，當(dāng)前板上的空間愈發(fā)局促，把電源模塊放在垂直方向上，也可以給HBM等關(guān)鍵部件讓出空間。

傳統(tǒng)的多相穩(wěn)壓器的橫向供電方式，在突破1000A門(mén)檻時(shí)，功率損耗問(wèn)題就開(kāi)始凸顯。隨著GPU和TPU等AI處理器尺寸不斷變大，新一代AI處理器現(xiàn)在要求核心電壓在當(dāng)前2000A到5000A甚至更高的水平。根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)，其但隨著芯片尺寸的不斷增大、供電電壓降至約0.4 V，其總電流消耗預(yù)計(jì)將在十年內(nèi)攀升至10000 A。

VPD應(yīng)運(yùn)而生。

看懂VPD

垂直供電架構(gòu)（VPD）很容易理解，即通過(guò)穿透PCB層垂直向上輸送電力，直接給上方的處理器供電，從而有效縮短了從VRM到SoC的電力傳輸距離。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心手段之一，是將POL直接放置在PCB背面、處理器正下方，以此縮短次級(jí)供電軌的長(zhǎng)度。

相較于傳統(tǒng)橫向供電，垂直供電（VPD）具備多重關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

• 電阻損耗更低：更短、更直接的供電路徑天然降低了電阻，有效減少I(mǎi)2R損耗，在減少額外發(fā)熱的同時(shí)，為處理器輸送更多有效功率；

• 瞬態(tài)響應(yīng)更好：更少的路徑斷點(diǎn)與更短的供電回路，讓VPD實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)，這對(duì)電流需求劇烈波動(dòng)的現(xiàn)代處理器至關(guān)重要；

• 信號(hào)完整性更好：將高頻開(kāi)關(guān)組件移至主板背面，并在PCB中集成屏蔽層，可隔離敏感信號(hào)層與供電噪聲；同時(shí)保留頂層更多連續(xù)銅箔，提升高速信號(hào)性能與電磁兼容性（EMC），這在高密度服務(wù)器環(huán)境與共封裝光互連場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵；

• 空間優(yōu)化：釋放主板正面空間，使設(shè)計(jì)人員能在處理器周邊集成更多內(nèi)存、光模塊與系統(tǒng)級(jí)功能，在不增加板卡面積的前提下，實(shí)現(xiàn)更高內(nèi)存帶寬、更多處理資源與擴(kuò)展系統(tǒng)特性；

• 可擴(kuò)展性：VPD通過(guò)減少長(zhǎng)距離的當(dāng)前路由來(lái)提升可擴(kuò)展性；

• 更好釋放處理器性能：降低PDN阻抗、提升瞬態(tài)響應(yīng)，可直接滿足AI核心對(duì)小于1V 的嚴(yán)苛電壓容差要求，更快的調(diào)節(jié)速度意味著更穩(wěn)定的運(yùn)行、更少的電壓跌落與降額，從而釋放處理器的全部性能。

雖然VPD前景廣闊，但會(huì)帶來(lái)更多工程難題，整個(gè)供電模塊都需要重新設(shè)計(jì)，這些問(wèn)題主要包括：

• 散熱壓力：高性能計(jì)算的電流密度已達(dá)3~4 A/mm2，在處理器下方的狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一功率水平，需要高度集成的多層模塊設(shè)計(jì)，結(jié)合先進(jìn)磁芯、平面電感技術(shù)與優(yōu)化的開(kāi)關(guān)拓?fù)洌?/p>

• 高度限制：VPD模塊位于PCB與系統(tǒng)機(jī)箱之間，z軸高度通常被限制在2mm以內(nèi)；

• 熱隔離問(wèn)題：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，處理器與調(diào)節(jié)器共享正面散熱系統(tǒng)，而VPD將調(diào)節(jié)器置于主板背面，與系統(tǒng)散熱器和氣流形成熱隔離。要在保持高電流吞吐的同時(shí)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，需要?jiǎng)?chuàng)新的封裝設(shè)計(jì)、均熱材料，甚至局部主動(dòng)散熱方案；

• 熱區(qū)重疊：供電模塊與處理器的x-y平面footprint重疊，使兩個(gè)熱源集中在同一區(qū)域，加劇了散熱挑戰(zhàn)，增加了性能下降或故障風(fēng)險(xiǎn)。

行業(yè)正通過(guò)先進(jìn)封裝、超薄磁性材料與熱界面技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)VPD規(guī)模化落地。

從背面供電，到基板供電

事實(shí)上，除了把供電模塊放在背面，VPD還有一種更優(yōu)解，就是把供電模塊直接放在基板上。英飛凌就曾在2月4日發(fā)布的技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)展示了一個(gè)發(fā)展路線圖。

第一階段是離散/橫向供電（Discrete/Lateral），功率級(jí)、電感、電容直接布置在處理器（GPU）旁邊，成本最低，生態(tài)與質(zhì)量體系成熟。不過(guò)，GPU電流超850~1000A 時(shí)，損耗會(huì)超過(guò)100W，PDN總電阻約為90~140μΩ。

第二階段是背面垂直供電（BVM），采用垂直布局，顧名思義，供電模塊采用垂直穿透布局，從基板/主板背面垂直對(duì)接處理器，縮短傳輸路徑。通過(guò)消除多個(gè)小型模塊間的間距，移除處理器下方的電源/控制信號(hào)布線，提升功率密度，簡(jiǎn)化主板設(shè)計(jì)，大幅降低PDN總電阻至10~15μΩ（比橫向低89%）。

第三階段是基板集成電壓調(diào)節(jié)器供電（SIVR），將電壓調(diào)節(jié)器直接集成在基板上，垂直傳輸路徑進(jìn)一步精簡(jiǎn)，是損耗控制的最優(yōu)解。能夠額外減少10~15%的基板PDN損耗，PDN總電阻達(dá)到7~10μΩ（比橫向低93%）。英飛凌在2023年就提出過(guò)這樣的概念，不過(guò)這些迭代主要靠處理器廠商牽頭來(lái)做，目前背面垂直供電剛剛進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化階段。

哪些廠商在布局VPD

Vicor

Vicor 在VPD的布局很早，也是英偉達(dá)確認(rèn)的合作伙伴之一，在CES英偉達(dá)公布Rubin采用VPD架構(gòu)后，Vicor成為了最大受益者，股市也相當(dāng)活躍。有報(bào)道指出，48V AI系統(tǒng)應(yīng)用中，Vicor曾一度占據(jù)高達(dá)85%市場(chǎng)份額，合作伙伴包括英偉達(dá)、谷歌、英特爾、AMD、Cerebras、Tesla等。

Vicor的VPD解決方案是一個(gè)由三層組成的集成模塊：下層是一個(gè)Gearbox，中間層是 VTM電流倍增器陣列，上層是PRM穩(wěn)壓器，這樣的三層組成了一個(gè)完整的VPD解決方案，Vicor稱之為DCM。

Gearbox執(zhí)行兩個(gè)功能：一是包含高頻去耦電容，二是把來(lái)自VTM的電流重新分配形成與上面的處理器鏡像一致的模式。VTM陣列的大小取決于處理器輸入電流要求，PRM的大小取決于總的功率需求。如果GPU或ASIC需要多個(gè)電源軌，則VTM層和PRM層可以分別使用獨(dú)立的PRM和VTM來(lái)實(shí)現(xiàn)，其大小可以滿足每個(gè)特定軌的電流和電壓要求。

Vicor VPD方案通過(guò)將MCM/GCM電流倍增器直接置于處理器下方，把PDN電阻進(jìn)一步降至5~7 μΩ，最大化發(fā)揮AI處理器的算力與能效。根據(jù)Vicor的垂直電源傳輸方式可將PDN損耗降低 95%。

Infineon

去年3月，Infineon（英飛凌）推出OptiMOS TDM2454xx四相功率模塊，實(shí)現(xiàn)了真正的垂直供電（VPD），并提供行業(yè)領(lǐng)先的2安培/平方毫米電流密度。此模塊延續(xù)了英飛凌2024年推出的OptiMOS TDM2254xD和TDM2354xD雙相功率模塊，繼續(xù)為加速計(jì)算平臺(tái)提供卓越的功率密度。

英飛凌表示，在傳統(tǒng)水平供電系統(tǒng)中，電流需要流經(jīng)半導(dǎo)體晶圓表面，這導(dǎo)致了電阻增加并產(chǎn)生了明顯的功率損耗。垂直供電通過(guò)縮短電流傳輸路徑，減少電阻損耗，從而提升系統(tǒng)效率。

通過(guò)采用英飛凌強(qiáng)大的OptiMOS 6溝槽式技術(shù)功率組件和嵌入式芯片封裝，OptiMOS TDM2454xx模塊可以提供優(yōu)異的電氣和散熱性能，同時(shí)運(yùn)用創(chuàng)新的超薄電感設(shè)計(jì)技術(shù)，不斷提高VPD系統(tǒng)性能和質(zhì)量的極限。此外，OptiMOS TDM2454xx的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于模塊化拼接，且能改善電流傳導(dǎo)，進(jìn)而提升電氣、散熱和機(jī)械性能。該模塊在四相電源中最高支持280A電流，并在僅10x9 mm2的小型封裝內(nèi)整合了嵌入式電容層，結(jié)合英飛凌的XDP控制器，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耐用的高電流密度功率解決方案。

MPS

MPS（Monolithic Power Systems）在VPD布局也很積極，有報(bào)道稱MPS在H100 GPU供電方案中有相當(dāng)一部分應(yīng)用。不過(guò)，MPS的VPD方案名字不太一樣，叫“Z軸供電”（ZPD）。Z軸供電將穩(wěn)壓器放置在PCB底部、處理器的下方。這種方法可以顯著降PDN損耗（超過(guò)10倍）。

去年，MPS針對(duì)AI服務(wù)器需求，推出新一代超高功率密度AI電源方案，其核心產(chǎn)品MPC24380采用Z軸供電架構(gòu)，集成輸出電容，搭配DrMOS頂置設(shè)計(jì)優(yōu)化散熱，具有四路260A高輸出電流以及2A/mm2 超高功率密度等亮眼優(yōu)勢(shì)；同時(shí)也推出了不同規(guī)格的MPC22158，超小體積實(shí)現(xiàn)兩路130A輸出電流，以高效率高集成度等多重優(yōu)勢(shì)助力AI芯片供電，破解能源與散熱困局。

ADI

ADI（亞德諾半導(dǎo)體）也在研究類似VPD的結(jié)構(gòu)，不過(guò)當(dāng)前還沒(méi)有更多進(jìn)展。ADI研究出了一種Notch CL（NCL）結(jié)構(gòu)的新型耦合電感，以優(yōu)化極低輸出電壓和激進(jìn)負(fù)載瞬態(tài)規(guī)格的應(yīng)用性能。

NCL可以放置在PCB底部，正好在GPU陶瓷旁路上方，電源級(jí)環(huán)繞NCL的周邊。這種方法類似于垂直電力傳輸（VPD）布置，可能增強(qiáng)瞬態(tài)與波紋之間的權(quán)衡（實(shí)際上是瞬態(tài)效率）。不過(guò)，ADI表示，實(shí)施這樣的改變將是對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)和布局的重大轉(zhuǎn)變。未來(lái)是否考慮這一方案將取決于客戶偏好。

TDK

TDK也在布局VPD。其推出的的μPOL直流變換器采用芯片嵌入技術(shù)SESUB，以實(shí)現(xiàn)最佳緊湊尺寸，非常適合這些應(yīng)用的1A至200A垂直電源。

TDK的FS1525集成了功率電感，以平滑μPOL將功率推入負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電流紋波。這種集成通過(guò)減少寄生效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了更小的形態(tài)和更高的效率。通過(guò)將所有元件壓縮到一個(gè)小型電源模塊中，DC-DC可提供每立方厘米127安培的功率密度。

該模塊實(shí)現(xiàn)了一種更先進(jìn)的調(diào)制方式，稱為自適應(yīng)時(shí)間調(diào)制（AOT），實(shí)現(xiàn)超快瞬態(tài)響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償。基于鎖相環(huán)（PLL），該調(diào)制方案在15安培和25安培下分別實(shí)現(xiàn)了91%和89%的效率。此外，I2C和PMBus為工程師提供了額外的遙測(cè)選項(xiàng)。

Empower Semiconductor

Empower Semiconductor是谷歌投過(guò)的一家電源芯片公司。去年6月，Empower Semiconductor宣布與 Marvell 展開(kāi)深度合作，聯(lián)合研發(fā)集成式電壓調(diào)節(jié)器（IVR）及垂直供電（VPD）架構(gòu)，核心目標(biāo)是將傳統(tǒng)板級(jí)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，升級(jí)為硅基集成或近芯片供電解決方案，以此應(yīng)對(duì)千瓦級(jí)芯片時(shí)代下的各類供電難題。

總 結(jié)

目前，數(shù)據(jù)中心的能耗占全球能耗的2%以上。在人工智能的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心的功率需求預(yù)計(jì)將在2023年至2030年間增長(zhǎng)165% 。要進(jìn)一步提高計(jì)算性能，同時(shí)降低總體擁有成本（TCO），不斷提高從電網(wǎng)到核心的功率轉(zhuǎn)換效率和功率密度至關(guān)重要。

多重壓力下，VPD以更短供電路徑、更低PDN阻抗、更優(yōu)瞬態(tài)響應(yīng)、更省板上空間，成為支撐高算力、高集成度AI芯片的關(guān)鍵支撐。可以預(yù)見(jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)，將會(huì)逐漸成為市場(chǎng)標(biāo)配。

參考文獻(xiàn)

[1]Power Electronic Tips：https://www.powerelectronictips.com/vertical-power-delivery-reduces-losses-in-ai-processor-designs/

[2]Electronic Design：https://www.electronicdesign.com/technologies/power/power-delivery/article/55357404/tdk-corporation-whats-the-difference-between-lateral-and-vertical-power-delivery

[3]Vicor：https://www.vicorpower.com/zh-cn/resource-library/articles/high-performance-computing/vertical-power-delivery-enables-cutting-edge-processing

[4]Vicor：https://www.vicorpower.cn/zh-cn/resource-library/articles/high-performance-computing/powering-clustered-ai-processors

[5]Infineon：https://www.infineon.com/row/public/documents/corporate/investors/presentations/2026/2026-02-04-q1-fy26-investor-presentation-v01-00-en.pdf

[6]TDK：https://product.tdk.com/en/techlibrary/solutionguide/solution-fpga-soc-asic.html

[7]P. R. Prakash et al., "High Current, High Power-Density Intermediate Bus Converters for Vertical Power Delivery to Next-Generation Processors," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 40, no. 10, pp. 14771-14784, Oct. 2025, doi: 10.1109/TPEL.2025.3572841.

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