英偉達、谷歌、華為，為什么都要做垂直供電（VPD）？

VPD（垂直供電），在最近這撥AI熱中徹底被帶火了。

今年CES上，英偉達確定Rubin會用VPD方案。根據英偉達的說法，Rubin架構將搭載更寬、更多的HBM4顯存，HBM因為已經占據了GPU封裝周圍所有空間，物理位置已經沒有給橫向供電（LPD），因此VPD是確定性方案。

無獨有偶，英特爾、谷歌也都已開始嘗試VPD方案。甚至，華為也在關注這項技術，華為有一項關于“芯片垂直供電系統”的發明專利申請，該專利旨在提供一種為芯片供電的電壓調節模塊（VRM）設計方案。

可以說，VPD將會是現代處理器最關鍵的技術之一。那么，這項技術有哪些值得關注的細節，哪些廠商在布局這項技術？今天EEWorld將進行詳細的解析。

為什么必須是VPD

長期以來，處理器的供電任務一直由環繞在芯片封裝四周的多相電壓調節器承擔，如下圖所示，便是常見的橫向供電（LPD）。其提供了兩級供電系統：第一級為非穩壓IBC，將48V降壓至IBV；第二級由多個VR構成，為GPU不同域提供精確穩壓和調頻功能，同時滿足瞬態要求。

盡管這一方案技術成熟、久經考驗，卻受制于基礎物理定律。隨著處理器工作電流不斷攀升，供電網絡（PDN）內的電阻和電感效應所引發的功率損耗也隨之加劇。

英偉達的Hopper GPU橫向供電架構

即便采用了先進的主板設計與電源優化技術，這種“橫向供電” 模式仍會在處理器與本地電源之間形成漫長且曲折的電流路徑。一方面，這些路徑會產生額外的寄生參數，不僅降低了供電效率，還會劣化瞬態響應能力，而對于電流需求瞬息萬變的AI工作負載而言，瞬態響應恰恰是決定性能的關鍵。另一方面，當前板上的空間愈發局促，把電源模塊放在垂直方向上，也可以給HBM等關鍵部件讓出空間。

傳統的多相穩壓器的橫向供電方式，在突破1000A門檻時，功率損耗問題就開始凸顯。隨著GPU和TPU等AI處理器尺寸不斷變大，新一代AI處理器現在要求核心電壓在當前2000A到5000A甚至更高的水平。根據行業預測，其但隨著芯片尺寸的不斷增大、供電電壓降至約0.4 V，其總電流消耗預計將在十年內攀升至10000 A。

VPD應運而生。

看懂VPD

垂直供電架構（VPD）很容易理解，即通過穿透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。

實現這一目標的核心手段之一，是將POL直接放置在PCB背面、處理器正下方，以此縮短次級供電軌的長度。

相較于傳統橫向供電，垂直供電（VPD）具備多重關鍵優勢：

• 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I2R損耗，在減少額外發熱的同時，為處理器輸送更多有效功率；

• 瞬態響應更好：更少的路徑斷點與更短的供電回路，讓VPD實現更快的瞬態響應，這對電流需求劇烈波動的現代處理器至關重要；

• 信號完整性更好：將高頻開關組件移至主板背面，并在PCB中集成屏蔽層，可隔離敏感信號層與供電噪聲；同時保留頂層更多連續銅箔，提升高速信號性能與電磁兼容性（EMC），這在高密度服務器環境與共封裝光互連場景中尤為關鍵；

• 空間優化：釋放主板正面空間，使設計人員能在處理器周邊集成更多內存、光模塊與系統級功能，在不增加板卡面積的前提下，實現更高內存帶寬、更多處理資源與擴展系統特性；

• 可擴展性：VPD通過減少長距離的當前路由來提升可擴展性；

• 更好釋放處理器性能：降低PDN阻抗、提升瞬態響應，可直接滿足AI核心對小于1V 的嚴苛電壓容差要求，更快的調節速度意味著更穩定的運行、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，但會帶來更多工程難題，整個供電模塊都需要重新設計，這些問題主要包括：

• 散熱壓力：高性能計算的電流密度已達3~4 A/mm2，在處理器下方的狹小空間內實現這一功率水平，需要高度集成的多層模塊設計，結合先進磁芯、平面電感技術與優化的開關拓撲；

• 高度限制：VPD模塊位于PCB與系統機箱之間，z軸高度通常被限制在2mm以內；

• 熱隔離問題：傳統設計中，處理器與調節器共享正面散熱系統，而VPD將調節器置于主板背面，與系統散熱器和氣流形成熱隔離。要在保持高電流吞吐的同時應對這一問題，需要創新的封裝設計、均熱材料，甚至局部主動散熱方案；

• 熱區重疊：供電模塊與處理器的x-y平面footprint重疊，使兩個熱源集中在同一區域，加劇了散熱挑戰，增加了性能下降或故障風險。

行業正通過先進封裝、超薄磁性材料與熱界面技術創新，推動VPD規模化落地。

從背面供電，到基板供電

事實上，除了把供電模塊放在背面，VPD還有一種更優解，就是把供電模塊直接放在基板上。英飛凌就曾在2月4日發布的技術簡報展示了一個發展路線圖。

第一階段是離散/橫向供電（Discrete/Lateral），功率級、電感、電容直接布置在處理器（GPU）旁邊，成本最低，生態與質量體系成熟。不過，GPU電流超850~1000A 時，損耗會超過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/主板背面垂直對接處理器，縮短傳輸路徑。通過消除多個小型模塊間的間距，移除處理器下方的電源/控制信號布線，提升功率密度，簡化主板設計，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節器供電（SIVR），將電壓調節器直接集成在基板上，垂直傳輸路徑進一步精簡，是損耗控制的最優解。能夠額外減少10~15%的基板PDN損耗，PDN總電阻達到7~10μΩ（比橫向低93%）。英飛凌在2023年就提出過這樣的概念，不過這些迭代主要靠處理器廠商牽頭來做，目前背面垂直供電剛剛進入大規模商業化階段。

哪些廠商在布局VPD

Vicor

Vicor 在VPD的布局很早，也是英偉達確認的合作伙伴之一，在CES英偉達公布Rubin采用VPD架構后，Vicor成為了最大受益者，股市也相當活躍。有報道指出，48V AI系統應用中，Vicor曾一度占據高達85%市場份額，合作伙伴包括英偉達、谷歌、英特爾、AMD、Cerebras、Tesla等。

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

Gearbox執行兩個功能：一是包含高頻去耦電容，二是把來自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需要多個電源軌，則VTM層和PRM層可以分別使用獨立的PRM和VTM來實現，其大小可以滿足每個特定軌的電流和電壓要求。

Vicor VPD方案通過將MCM/GCM電流倍增器直接置于處理器下方，把PDN電阻進一步降至5~7 μΩ，最大化發揮AI處理器的算力與能效。根據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，實現了真正的垂直供電（VPD），并提供行業領先的2安培/平方毫米電流密度。此模塊延續了英飛凌2024年推出的OptiMOS TDM2254xD和TDM2354xD雙相功率模塊，繼續為加速計算平臺提供卓越的功率密度。

英飛凌表示，在傳統水平供電系統中，電流需要流經半導體晶圓表面，這導致了電阻增加并產生了明顯的功率損耗。垂直供電通過縮短電流傳輸路徑，減少電阻損耗，從而提升系統效率。

通過采用英飛凌強大的OptiMOS 6溝槽式技術功率組件和嵌入式芯片封裝，OptiMOS TDM2454xx模塊可以提供優異的電氣和散熱性能，同時運用創新的超薄電感設計技術，不斷提高VPD系統性能和質量的極限。此外，OptiMOS TDM2454xx的結構設計有利于模塊化拼接，且能改善電流傳導，進而提升電氣、散熱和機械性能。該模塊在四相電源中最高支持280A電流，并在僅10x9 mm2的小型封裝內整合了嵌入式電容層，結合英飛凌的XDP控制器，可實現穩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，有報道稱MPS在H100 GPU供電方案中有相當一部分應用。不過，MPS的VPD方案名字不太一樣，叫“Z軸供電”（ZPD）。Z軸供電將穩壓器放置在PCB底部、處理器的下方。這種方法可以顯著降PDN損耗（超過10倍）。

去年，MPS針對AI服務器需求，推出新一代超高功率密度AI電源方案，其核心產品MPC24380采用Z軸供電架構，集成輸出電容，搭配DrMOS頂置設計優化散熱，具有四路260A高輸出電流以及2A/mm2 超高功率密度等亮眼優勢；同時也推出了不同規格的MPC22158，超小體積實現兩路130A輸出電流，以高效率高集成度等多重優勢助力AI芯片供電，破解能源與散熱困局。

ADI

ADI（亞德諾半導體）也在研究類似VPD的結構，不過當前還沒有更多進展。ADI研究出了一種Notch CL（NCL）結構的新型耦合電感，以優化極低輸出電壓和激進負載瞬態規格的應用性能。

NCL可以放置在PCB底部，正好在GPU陶瓷旁路上方，電源級環繞NCL的周邊。這種方法類似于垂直電力傳輸（VPD）布置，可能增強瞬態與波紋之間的權衡（實際上是瞬態效率）。不過，ADI表示，實施這樣的改變將是對現有設計和布局的重大轉變。未來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SESUB，以實現最佳緊湊尺寸，非常適合這些應用的1A至200A垂直電源。

TDK的FS1525集成了功率電感，以平滑μPOL將功率推入負載時產生的電流紋波。這種集成通過減少寄生效應，實現了更小的形態和更高的效率。通過將所有元件壓縮到一個小型電源模塊中，DC-DC可提供每立方厘米127安培的功率密度。

該模塊實現了一種更先進的調制方式，稱為自適應時間調制（AOT），實現超快瞬態響應，并實現內部環路補償。基于鎖相環（PLL），該調制方案在15安培和25安培下分別實現了91%和89%的效率。此外，I2C和PMBus為工程師提供了額外的遙測選項。

Empower Semiconductor

Empower Semiconductor是谷歌投過的一家電源芯片公司。去年6月，Empower Semiconductor宣布與 Marvell 展開深度合作，聯合研發集成式電壓調節器（IVR）及垂直供電（VPD）架構，核心目標是將傳統板級電壓調節設計，升級為硅基集成或近芯片供電解決方案，以此應對千瓦級芯片時代下的各類供電難題。

總 結

目前，數據中心的能耗占全球能耗的2%以上。在人工智能的推動下，數據中心的功率需求預計將在2023年至2030年間增長165% 。要進一步提高計算性能，同時降低總體擁有成本（TCO），不斷提高從電網到核心的功率轉換效率和功率密度至關重要。

多重壓力下，VPD以更短供電路徑、更低PDN阻抗、更優瞬態響應、更省板上空間，成為支撐高算力、高集成度AI芯片的關鍵支撐。可以預見，這項技術，將會逐漸成為市場標配。

參考文獻

[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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