小型で高性能なFPGA、SoC、ASIC向けの垂直電源供給

現代のAIおよびエッジアプリケーションは、ますます高度化し、演算処理能力の向上が求められています。これに伴い、プロセッサ、ASIC、およびFPGA/SoCの電力供給に対する要求も厳しくなっています。特に、これらのデバイスは高性能を維持しながら、限られたスペース内で効率的に動作する必要があります。
垂直電源供給は従来のディスクリート実装による電力供給の課題であるスペース効率を改善させるとともに、放熱性での改善にも寄与します。
本記事では、TDKのμPOLに焦点を当て、垂直電源供給の利点とアプリケーションをご紹介し、次世代のAIおよびエッジアプリケーションにおける電力供給の課題をどのように解決できるかを示します。

垂直電源の必要性

AIやブロードバンドエッジ通信の演算能力の向上・並列処理需要に伴い、最先端プロセッサ（ASIC・FPGA/SoC）に対する電力供給は、高密度設計が求められ、SoCへの電力統合の必要性が求められています。TDKのuPOL DC-DCコンバータは、チップ埋め込み技術（半導体を基板に埋め込む技術 - SESUB）を特徴としており、非常にコンパクトで、1Aから200Aまでの垂直電源供給に最適な製品です。この垂直給電ソリューションは、SoCへのコア電源、IO電源、バス電源、高速SerDes電源へと拡大しています。図1は、チップ埋め込み技術を活用して、柔軟で拡張性のある垂直電源供給を実現する具体例を示しています。TDKのμPOLを使用し、従来のディスクリートベースの電力供給システムから、垂直給電設計に革新させていくことを是非ご検討ください。

電源密度を改善し、垂直給電を取り入れる必要性がある具体例として、現在のPCIeハードウェアアクセラレータやFPGA SoM（システムオンモジュール）設計が挙げられます。インダクタ内蔵パワーIC埋め込みソリューション(μPOL)はDCDC変換において、実用的な電源密度を100A/cm³から500A/cm³以上でサポートしています。図2では1Aから200Aまでの垂直電源供給における最適な電源密度を示しています。

μPOL	Power Density	Watts
FS1525	127 A/cm³	45W/25A
FS1412	263 A/cm³	21W/12A
FS1606	408 A/cm³	15W/6A
FS3303	400 A/cm³	9.9W/3A

TDKのμPOLで実現する小型化と効率的な熱管理

TDKのμPOLはパワーIC、インダクタ、ブートストラップコンデンサ、パッケージング基板を組み合わせ、垂直電源供給を実現します（図3）。インダクタ統合により、平面方向でのPCB面積が削減されると同時に、1.2mmから4mm未満のスペースに実装可能な低背化を実現しています。

パワーICダイにはMosFETとドライバが含まれており、チップ埋め込み基板パッケージ（SESUB）の層に封入されています。ワイヤーボンドを使わない組み込みパッケージ技術により内部配線を最適化しており、これにより電力損失の最小化を実現しています。このパワーICダイ上の銅の再配線層を使用し、層間の細かい銅ビアを介してパッケージのピンに接続することで、チップからPCBボードへの熱放散が大幅に向上します。FS1412の構造を例に含むチップ埋め込み基板パッケージの詳細なビジュアル説明については、下のボタンをクリックしてビデオをご覧ください。

形状の詳細を動画で見る

AIとエッジのアプリケーション例

図4は、PCIeハードウェアアクセラレータカードの一般的なパワーブロック図を示しています。プロセッサは、ASIC、SoC、またはFPGAであり、通信インターフェースやその他のI/Oバスが追加されます。PCIeの入力電力はサブシステムで75Wから150Wの範囲です。最大の電力消費はプロセッサのVcoreレールで、現在は0.45Vから0.9V、25Aから150Aの範囲になります。トータル電力ソリューションとして、5から15のPOLデバイスで構成されます。さらに、USB、オーディオコーデック、ビデオインターフェース、イーサネットGbEポートなどの周辺機能の追加により、さらに多くのPOL電力が必要になる場合があります。そのため、限られたPCBボードスペースに対するコンパクトな電力設計が求められます。

以下に、AIハードウェアアクセラレータカード向けのTDK μPOL電源ソリューションの例を示します（図5、図6）。図5は、2つのFS1525を並列に使用し、入力および出力コンデンサを含めて27.9mm x 12.7mmのスペースにて50Aをサポート可能な実装例です。FS1525は、8フェーズに拡張可能で、25Aから200AのVcoreに対応します。また、新しいFPGA、ASIC、SoCのニーズを満たすために、10A/usから200A/us+の優れた過渡応答にも対応しています。Voutの精度はDCで±1%、ACで±3%未満です。これは、各電力モジュールにおける固有の内部2フェーズ（2インダクタ）設計により、1MHzから16MHzの効果的な高周波動作により実現しました。内部レギュレータ設計は最先端であり、外付け部品の数の削減に寄与しています。このソリューションは、ヒートシンクや4mm以下のエンクロージャープロセッサまたはFPGAフードの下に実装することができます。FS1525の高さは、わずか3.8mmで、これにより、POLデバイスをPCIeボードの上面や下面、または1Uから3U、SoM（モジュール上のシステム）などのタイトなフォームファクタに近づけるための垂直電源供給が可能になります。図6は、 50Aパワーソリューションの一般的な回路図におけるFS1525と外付け部品の高い統合を示しています。2つのFS1525がカレントシェアモードで50Aを供給する様子が示されています。
表1は、25Aから200AまでのさまざまなAI SoC/FPGA、ASIC、およびエッジSoC向けのスケーラブルな垂直給電の例を示しています。

図6: 高電力密度向けFS1525を使用した
50A DC-DCソリューションの一般的な回路図

TDK μPOL DC-DC	Vcore	FPGA/SoC, ASIC, Edge Devices
FS1525 - 15A to 200A FS1412 - 6A to 12A FS1606 - 1A to 6A FS1003 - 1A to 3A FS3303 - 500mA to 3A FS1006, 6A (3.3V/5.0V)	0.7V 25A to 150A	AMD Xilinx - Versal, Virtex
	0.45V-0.8V 25A to 150A	Other AI RISC V SoCs
	0.7V-0.9V 25A to 150A	Altera Agilex
	0.8V 25A to 40A	Broadcom - NetXtreme BCM
	0.8V 15A - 20A	Other GbE ASICs (10G to 40G)

表1: Vcoreが25Aから200Aの様々なAI SoC、FPGA、ASIC、エッジSoC

TDK μPOLの特徴と優位性

以下は、μPOLを使用したDC-DCソリューションの利点の概要です。これらはさまざまなアプリケーションに適用できます。

DCDC Converterモジュールによる最適なコンパクト設計

超小型・低背
外付け部品の最適化
設計が簡単 –シミュレーションソフトによる回路図とPCB設計のサポート

高信頼性設計

エアフローなしの環境で優れた熱性能
広い使用温度範囲：-40C to +125C

拡張可能な電源設計

1Aから200Aのラインナップによるトータルパワーソリューション
0.4Vから5Vの出力電圧範囲
Digital Power Solution： I2Cによるテレメトリー機能(Vin・Vo・Io・チップ温度のフィードバック)
派生製品の追加によるポートフォリオの拡充

サステナビリティ

長期供給　10~15年
Pin to Pin compatibleなソリューション

AIおよびエッジアプリケーション向けのTDK Powerリファレンス・デザイン

TDKのμPOLは、主要なプロセッサ、FPGA/SoC、および特別なAI ASICを使用されています。これらの情報の一部は、TDKのウェブサイトやパートナー会社のウェブサイトで入手可能です。以下にそれらの詳細な情報とレファレンスの一覧を示します。

TDKμPOL×AMD Versal

2025年第1四半期に利用可能となるのは、AvnetのAMD-Xilinx Versal Edgeリファレンスデザインプラットフォームです。スターター回路図とSimplis設計ライブラリはTDKのサイトで入手可能です。この設計は、AMDのVersal^TM Edge、VE2302、AI SoC/FPGA用です。この設計には、SOMおよびキャリアボード上の厳密な電力設計のために、TDKのFS1525（50A）およびFS1406（1Aから6A）が搭載されています。図7は、今後のリファレンスデザインプラットフォームを示しています。用途は人工知能、機械学習、エッジコンピューティング、エッジセンサー（レーダー、LiDAR）、ロボティクス等です。Avnetの情報と入手性は、avnet.comのサイトで確認できます。

入手性を確認する

図7: AvnetのVersal AI Edge VE2302システム・オン・モジュール

TDK μPOL x Altera Agilex

Agilex^TM FPGA/SoCは、統合されたGbE機能を備えたエッジアプリケーションに最適です。Agilex 5のリファレンスデザインは、ArrowおよびAlteraと共に2025年初頭に提供される予定です。この設計には、Agilex5のトータル電源設計をするため、FS1525（25A）およびFS1606（1Aから6A）、その他のTDK μPOLデバイスが搭載されます。FS1525はSmartVID対応で、25Aから200AまでのスケーラブルなVcore電力をSmartVIDで提供し、PMBusでIntel AlteraのQuartus/SDM制御と通信することが可能です。さらに、FS1006-3300（3.3V）は、10Mbpsから2.5GbpsまでのQSFP GbEを最大10WでサポートするAlteraのAgilexに理想的なエッジ通信アプリケーションです。スターター回路図とSimplis設計ライブラリは、Agilex 7およびAgilex 5を含むAlteraのAgilexシリーズ用にTDKのサイトで入手可能です。この設計に関する詳細情報は2025年第1四半期に提供されます。以下の図8は、さまざまなAgilexチップレットオプションと電圧レールの統合を最適化するための最小数のPOLデバイスの電力オプションを含む、Agilex 5の電力ソリューションの例です。TDK μPOLは、Agilex 5に最適なサイズと電力密度を提供します。図9を参照してください。図9は、Agilex 5のVCC（Vcore）用のFS1525を示しており、6.8mm x 7.6mm x 3.8mmの高さのインダクタ統合型電源モジュールです。図10は、Agilex 5用のFS1525を使用してVcoreレールの低電圧リップルと過渡応答を満たすための設計の性能を示しています。

図8: TDK μPOL – Altera Agilex 5向け統合電源ソリューション

図9: SmartVID対応Agilex 5向けのTDK FS1525 25A
総合BoMソリューション

図10: Agilex 5向けTDK FS1525 25Aの電圧リップルと過渡応答

さまざまな組み込みプロセッサ、FPGA/SoC、およびASICアプリケーション向けのTDKパワーリファレンス

以下の表2は、低価格帯、中価格帯、高価格帯の組み込みプロセッサ、FPGA/ASIC、エッジGbEデバイスのクイックリファレンスガイドを提供します。TDK μPOLデバイスの5Wから200W以上のDC-DCソリューションのクイックリファレンスを提供しています。これらのすべてのデバイスおよび類似のデバイスは、DC-DCの精密なレギュレーションが必要です。リファレンスに関して回路図を含むより詳しい情報が知りたい方は是非下のフォームから資料をダウンロードし設計にお役立てください。

		Low End		Mid-range		High End
Embedded Control		ARM MO-M4 Atmel Microsemi	AMD-Xilinx Zynq 7 Altera Cyclone,Agilex 3 Sundance NXP i.Mx8 Nvidia Jetson Orin	AMD-Xilinx Zynq 7 AMD-Xilinx Zynq US+ Microsemi Polarfire Lattice Avant-E NXP i.Mx8 Efinix Microsemi	AMD-Xilinx Zynq US+ AMD-Xilinx RFSOC Microsemi Polarfire AMD-Xilinx Kintex US+ Altera Arria 10 Altera Agilex 5 Cavium Octeon Broadcomm / Marvell NXP QorlQ Other SoCs: Nvidia Xavier Jetson Esperanto Tech TI Sitara or Similar Mobile Eye ADAS ASICs Server/Al Accelerator ASICs Multi-ARM A5x SoCs	Altera Arria 10/ Stratix 10 Altera Agilex 7/9 AMD-Xilinx Virtex AMD-Xilinx Versal NXP QorlQ Cavium Octeon Other SoCs: Nvidia Esperanto Tech Groq Mobile Eye ADAS ASICs Multi-ARM A5x SoCs Server/Al Accelerator ASICs	Altera Arria 10 / Stratix 10 Altera Agilex AMD-Xilinx Versal Al AMD-Xilinx Virtex US+
DC-DC		<5W to 10W	10W+	10W to 20W	15W to 30W	25W to 50W	50W to 200W+
TDK Power	25～200A				FS1525	FS1525	FS1525
	12A			FS1412	FS1412	FS1412	FS1412
	～6A	FS1403, FS1003, FS1606, FS1006, FS1703, FS3303	FS1406, FS1606, FS1404, FS1403, FS1006, FS1003, FS1703, FS3303	FS1406, FS1606, FS1404, FS1003, FS1603, FS1604, FS1006, FS3303	FS1606, FS1604, FS1603, FS1003, FS1006, FS3303	FS1606, FS1604, FS1603, FS1003, FS1006, FS3303	FS1606, FS1604, FS1603, FS1003, FS1006, FS3303

表2: TDKリファレンスガイド - 様々なプロセッサ、FPGA/SoCs、ASICs GbE Edgeデバイス向けDC-DC

Registered Trademarks:TDK μPOL is a registered by TDK, Agilex is registered by Intel / Altera, Versal is registered by AMD / Xilinx, QSPICE is registered by Qorvo