每个机架搭载的 GPU 数量持续增加，而裸片（die）数量的增长速度则远快于 GPU数量。

预计单个机架的总功耗将达到 1MW，并将面临三项重大挑战。

第一，需要在更小的外形尺寸内实现高压 DC-DC 转换。

第二，GPU核心供电需要更高的电容密度以及更快的 di/dt 响应特性。

最后，还需要在众多 PTH（Plated Through-Hole）之间布置嵌入式 MLCC，同时保持 Power Integrity。

下面将介绍三星 电机面向 1MW Rack 推出的电容器解决方案。

① High Voltage DC-DC Converter与机架空间限制的应对

在构建高效电源系统时，可以在 GPU 的 Computing board 上引入 HV DCDC converter。

在 1MW 级高密度机架电源系统中，Snubber capacitor在 MOSFET 高速开关电路中抑制Spike noise的作用至关重要。尖峰噪声会对电源系统的 PI（Power Integrity）产生不利影响，同时也会成为 MOSFET 等功率器件的Stress来源，进而影响系统的可靠性。陶瓷电容器的Low ESL特性明显低于Film capacitor， 能够即时吸收超高频寄生谐波及突发浪涌电流，在响应性能方面具有显著优势 。在施加高电压时，DC-Bias 效应会导致有效电容量下降，但通过选择合适的介电材料，例如 C0G/X7R，并采用并联连接配置，可以充分弥补这一问题。

在空间受限的条件下，陶瓷电容器的单位面积capacitance density也更具优势。

因此，兼具小型化尺寸与优异 ESL 性能的陶瓷电容器，是高压 DC-DC 转换器中不可或缺的核心元件。它能够最大限度地提高功率密度、降低开关损耗，从而保障 1MW 数据中心机架电源系统的稳定运行。

② GPU Core Power 用小型大容量 MLCC 方案

GPU 所需的 MLCC 电容密度每年增长 2 倍以上。

GPU 功耗的增长速度远高于 GPU 封装面积（Core 供电区域）的增长速度。

这意味着，虽然需要配置更多电容器，但可用于布置这些电容器的空间却十分有限。

此外，在采用 VPD(Vertical Power Delivery) 时，可用于布置 MLCC 的空间将进一步受到限制。

以下是为寻找电容密度最大化方案而进行的仿真结果。

“AI MLCC's Law”：每个 GPU 所需的 MLCC 电容量每年增长 2 倍。

最大化电容密度 vs 阻抗

100x100 Core Power 区域内可配置的 MLCC 总数量及总容量

在 100x100区域内布置 0603 100㎌ 时，电容密度最高，但 ESL 过高。

相比之下，0201 10㎌ 的 ESL 特性明显更优，但电容密度过低。

0402 47㎌ 则可在电容密度与 ESL 之间实现最佳平衡。

最优点

近年来，推理（inference）服务器对更高 di/dt 的需求不断增加，因此，为降低阻抗，我们增加了 0201 10㎌ 的配置数量。这是因为 0201 10㎌ 本身具有较低的 ESL。

此外，为补充电容量，又配置了电容密度较高的 0603 100㎌。

结果显示，虽然整体电容量有所下降，但阻抗特性得到了改善。

最终，需要综合考虑容量（0603 100㎌）与阻抗（0201 10㎌）之间的 Trade off关系，制定最优设计方案。

当三种类型的电容器采用相同数量进行配置时，阻抗反而出现恶化。

这表明，不同类型电容器之间的组合比例至关重要。

另一个问题是，为了向 GPU 提供更大的功率，PTH pitch（间距）正在不断缩小。因此，在 0201、0402 等小型封装中提高电容密度变得越来越重要。

如果使用尺寸大于 PTH pitch 的电容器，就需要在 PCB 上增加额外的布线（routing），从而导致 ESL 上升。

正如前文所述，推理服务器要求更快的 di/dt，因此，关键在于如何在更小的封装尺寸下保持较低 ESL，同时获得较高的电容量。

③ Embedded MLCC技术

将电容器嵌入 PCB内部，是一种既能提高电容密度，又能降低ESL（等效串联电感）的高效解决方案。

初期曾评估在多个 PTH（镀通孔）之间垂直布置 MLCC 的方案，但存在 PTH 间距（pitch）达到 2mm、间距过大的问题。

随后改为评估水平贴装方案，通过 MLCC 的外部端子供电后，可不再使用 PTH，从而缩小供电 pitch，并提升电气性能。

水平嵌入 vs 垂直嵌入