高效电源管理架构加速量子计算机商用化

shuszhao

迄今为止还没有成熟的量子计算机出现，文章讨论了超级计算机的电源需求、百亿亿级(Exascale)计算机、以及量子计算机的电源需求。电源管理设计人员面临的挑战将很快从Exascale计算机转换到量子计算机，而后者的电源管理将更具独特的挑战性。

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2016年，第一批量子计算机实现了可以用高级用户界面编程，从而可运行任意量子算法。这些量子计算机的设计架构规模较小，只拥有少量的量子位。
但IBM、谷歌、微软等大型企业以及一些初创企业都有一个终极目标，就是在不久的将来创建更大规模的可商用量子计算机。
量子计算机更像是异构多核计算机的组成部分，在其中经典处理器会与FPGA、GPU以及量子协处理器等多个加速器进行交互。图1显示了量子计算机系统堆叠的层级结构。

图1：量子计算机系统堆叠图。（图片来源：Towards a Scalable Quantum Computer）
荷兰代尔夫特理工大学目前正致力于实现硅量子芯片的可编程目标，从而使量子计算机更接近于成功。




如何为这些量子“怪兽”供电？




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由于迄今为止还没有成熟的量子计算机出现，我们先从超级计算机的电源需求开始讨论，然后再到新出现的百亿亿级（Exascale）计算机，最后再讨论量子计算机的电源需求。电源管理设计人员面临的挑战将很快从Exascale计算机转换到量子计算机，而后者的电源管理将更具独特的挑战性。但是，对Exascale计算机供电将为对量子计算机供电奠定基础。




超级计算机




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超级计算机常用于对复杂的动态系统进行建模和仿真，这些系统成本太高，不太可能进行物理演示或者不切实际。超级计算机可以极大地帮助科学家们探索宇宙发展、生物系统、天气预测甚至再生能源。而目前最新和最快的新一代超级计算机就是Exascale超级计算机。




Exascale计算机




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Exascale超级计算机是下一代超算，这种系统能够改进医学、生物技术、先进制造、能源、材料设计和宇宙物理学等多种领域中所涉及的复杂过程的仿真。这种超级计算机可以更快地执行这些应用的计算任务，并提供更高的清晰度。
目前，世界上最耗能的超算是中国广州的天河二号。这台计算机需要18MW功率，而Exascale的天河三号会需要更大功率。作为参考系，在美国一个典型的水电大坝大约可产生36MW电力。
Cray和AMD两家公司正在为美国政府联手打造Frontier超算。它将提供1.5exaflops的原始处理能力，即每秒1.5百亿亿次的计算能力，预计将于2021年投入使用，并届时成为世界上速度最快的Exascale超级计算机（如图2所示）。

图2：Frontier Exascale超级计算机。（图片来源：美国能源部/美国橡树岭国家实验室）
这种类型的计算机将显著推进医疗进步，从而改善全球数十亿人的生活。它们可以快速访问和分析病历、基因和环境因素，而为每个人量身定制医疗方案。而且，这类计算机具有令人难以置信的处理速度，因此还可用来开发攻克癌症的精准药物。




Vicor与PEZY Computing携手合作




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我知道Vicor在与PEZY Computing合作开发，因此我联系了我的朋友，Vicor公司的产品营销和技术资源副总裁Robert Gendron，和他讨论了如何为超高速、高耗能的处理器提供最佳电源。
当我提到量子计算机时，Gendron想到了IBM于2017年推出的50量子位量子计算机的“金色吊灯”设计（图3）。从那时起直到现在，使用这种计算机都是非常具有挑战性的，而且其量子态仅能保持90μs。尽管IBM的量子计算在不断发展，但这种架构仍处于早期阶段。
如果要处理更复杂的任务，量子计算机会需要数千甚至数百万个量子位。设计人员也正朝着这个目标前进。
Gendron说，我们正在朝Exascale超级计算机靠近，日本公司ExaScaler/PEZY Computing为他们自己的处理器板、英特尔主板和其他公司的产品推出了ZettaScaler-2.0可配置液体浸入式冷却系统。（请参阅我在EDN上的文章：Submerge your power supply, and other options）

图3：IBM的量子计算机。（图片来源：IBM）
Gendron还说，根据他在业界的所见所闻，美国政府可能会率先开发出真正的Exascale计算机。在尝试打造更高算力的过程中，Vicor看到的最大问题是延迟，它存在于从处理器到内存或到其他处理器的通信中。他表示，由于晶圆良率和光罩尺寸有限，单个处理器的尺寸只能做到30mm×35mm左右，否则就得挨着放两个处理器。Gendron说，这是一个密度问题，要么会受硅片大小限制，要么会产生与内存和其他器件之间的通信延迟。
从我了解的行业信息来看，Exascale处理器以微波速度工作，10GHz处理器也将在几年内上市。也就是说，这样的处理器会需要更大功率和产生更多热量，因此，相较于目前的沉浸式水冷，液氮冷却也相去不远。而且，随着处理器速率的提升，这些PCB上会使用金色的微波带状线或微带线（图4）。

图4：第一批量子计算机的两种系统架构比较。（a）通过微波谐振器连接的超导量子位（图片来源：IBM Research）；（b）通过激光介导的相互作用连接而成的囚禁离子线性链。插图：星型（a）和全连接型（b）量子位连接图。（图片来源：Towards a Scalable Quantum Computer）
参考文献Towards a Scalable Quantum Computer给出了在两种量子计算机上运行一系列所选算法的结果，包括第一次实现的隐藏移位算法。超导系统的优势在于可实现更快的门速度和固态平台，而离子阱系统具有卓越的量子位和可重配置的连接。这些系统的性能反映了基础硬件的连接水平，说明量子计算机应用和硬件应该要“联合设计”。
美国能源部正在研究算力为1000petaflop的超算，到2023年这种计算机将需要大约20MW的电力。目前加拿大有一台耗电量为1.35MW的ExaScaler计算机。
所以，我问了Gendron，Vicor认为怎样的电源架构才能为这些高耗电处理器提供最佳供电（其实我多少已知道了答案，请参阅我在EDN上发表的文章：《2019年数据中心电源解决方案》）。
Gendron给我推荐了Green 500（能效500强）网页，这个网页每六个月对计算机进行一次排名，并对它们的计算能力进行基准测试。他们测试的flops/W实质上就是能效测试。在2019年6月进行的高性能Linpack（HPL）基准测试中，全球500强超算的浮点运算速度首次全部达到petaflops或者更高。在这次的排名中，采用Nvidia DGX-1 Volta36处理器的DGX SaturnV Volta，以15.113Gflops/W的能效排名第一，然而，该处理器在按超算算力排名的Top 500（算力500强）网页中，排名仅位于第469位。
Vicor与PEZY合作开发的Gyoukou超算系统，在2017年的能效500强中排名第4，在算力500强中排名第5。据Vicor报道称，PEZY超算采用了Vicor的48V分比式电源，这是一种高效率、高密度的配电架构。PEZY的CPU与Vicor的合封电源（PoP）模块化电流倍增器（MCM）共同封装，可在XPU上实现高效的直接48V至1V以下的电流倍增。
PEZY将带有48V输入稳压器的Vicor PoP放在CPU衬底上，通过消除大部分电路板损耗而降低“最后一英寸”的功率损耗，从而为处理器提供更多电力。Vicor PoP可提供的实际峰值电流高达1000A！
例如，若有大约1V@400A的电流通过400µΩ的电路板走线到达处理器，将400平方再乘以400µΩ就得到到达处理器的I2R损耗，再根据64W/400W就可知能效提高了近16%，如图5所示。

图5：Vicor PoP封装的位置接近处理器（红色方块）。（图片来源：Vicor）
Gendron表示，未来的挑战是为处理器提供大约0.5V或0.6V的1V以下电源电压。此处的难点在于所设计的供电系统要满足400A负载跳变的要求，同时保持在0.5V（500mV）的某个范围内——0.5V的10%为50mV，因此电压跳变需要小于20mV，或者如果希望保持在合规范围内，则其实际要小于5mV，这很难实现。




量子计算机




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量子计算机自成一类，其架构与Exascale超级计算机有很大差别。量子计算机有望大幅加速机器学习。
空中客车公司（Airbus）正在使用计算机来帮助计算飞机最省油的上升和下降路线。而量子计算机可以更快更好地完成这项任务（很可惜波音公司的Max 8没有通过量子计算机来完成无限仿真）。
最新最快的量子IC所具有的量子位阵列需要在极低温度下运行，这个温度比外太空还冷，低至几十毫开氏度（10mK等于-273.14℃）。电源设计人员也许可利用这样的低温来冷却其电源架构。这需要相当大的功率。量子处理器也需要相当大的功率，尽管不需要像将IC冷却到上述极端温度那么大的功率，但高效地为量子处理器供电本身已是一项艰巨的任务。例如，在Exascale计算机上，从电源到处理器沿电路板导电走线的I2R损耗已经很巨大了，而处理器的功率要求要高得多。




为量子计算机供电




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当这种新型量子计算机真正出现时，Vicor必须为它们开发下一代PoP电源架构。
新一代电源架构不仅要为量子计算机的处理器部分供电，还需要为这种新型计算机富有挑战的冷却系统供电。要将系统冷却到接近绝对零度的温度，其所需要的功率将远胜于处理器的功率需求。




为冷却系统供电




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谷歌的量子人工智能实验室配置了D-Wave最新的量子计算机。D-Wave可能是迄今为止最接近商用的量子计算机（图6）。

图6：D-Wave 2000Q系统架构。（图片来源：D-Wave）
标准的数据中心通常都可容纳D-Wave 2000Q量子计算机。
D-Wave的制冷系统具有多层屏蔽，它位于内部的高度真空环境且温度略高于绝对零度。这套系统可将计算机与外部磁场、振动和RF信号隔离开来，而使这一高度敏感的系统不会因为它们而产生误差。
D-Wave系统的功耗低于25kW，而且其中大部分都用于冷却系统和前端服务器的运行。
D-Wave量子处理单元（QPU）由金属铌的微小环形网格构成，每个网格都是一个量子位。在低于9.2K的温度下，铌变成超导体并展现量子力学效应。在量子态下，电流同时向两个方向流动，这意味着量子位处于叠加态，即同时处于0和1两个状态。在问题求解过程结束时，这种叠加态塌缩为两个经典状态之一：0或1。

图7：量子处理单元。（图片来源：D-Wave）
不久的将来会有更强大的量子计算机出现，它将需要更大的功率，尤其是用于处理器。

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