中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年AI大模型的出現，引爆了AI算力需求，市場(chǎng)對相關(guān)算力硬件，包括服務(wù)器、交換機、AI加速卡、存儲、液冷等需求高漲。根據MIC及Trendforce測算，2023年全球AI服務(wù)器出貨量逾125萬(wàn)臺，同比增長(cháng)超過(guò)47%。
其中AI加速卡作為算力的核心來(lái)源，需求量暴增，今年以來(lái)我們經(jīng)?？梢钥吹礁骷铱萍脊緭屬徲ミ_GPU的消息，這也是推動(dòng)英偉達在短時(shí)間內市值飆升至全球前三的重要原因。
不過(guò)隨著(zhù)GPU等AI芯片的功耗越來(lái)越高，AI加速卡、服務(wù)器也在面臨很多挑戰。在2024慕尼黑上海電子展上，村田分享了目前AI領(lǐng)域對于被動(dòng)元件的一些新的市場(chǎng)需求，以及他們在A(yíng)I領(lǐng)域的創(chuàng )新產(chǎn)品以及解決方案。
AI加速卡功耗暴增，芯片、主板面臨新挑戰
在A(yíng)I計算領(lǐng)域，由于并行計算的需求龐大，因此傳統的CPU并不適合用于進(jìn)行AI加速，而GPU等AI芯片中集成的核心數量通常多達數千個(gè)，因此可以進(jìn)行大規模的并行計算，從而快速對海量數據進(jìn)行處理，適合在A(yíng)I領(lǐng)域應用。
但如今大模型等AI應用對算力的需求，推動(dòng)了AI芯片算力不斷提高，與此同時(shí)帶來(lái)的是越來(lái)越高的功耗。據村田市場(chǎng)及業(yè)務(wù)發(fā)展統括部戰略營(yíng)銷(xiāo)營(yíng)業(yè)部高級經(jīng)理盧國榮介紹，目前單AI芯片功率在300W左右，最新的設計已經(jīng)超過(guò)1000W，大功率的AI芯片對于電路設計帶來(lái)新的挑戰，比如能源損耗、信號完整性、電源穩定性、外圍器件的可靠性等。
除此之外，在A(yíng)I應用的需求下，AI芯片異構封裝集成的技術(shù)也成為了一個(gè)趨勢。那么這種趨勢，也給基板、MLCC電容等產(chǎn)品帶來(lái)技術(shù)升級需求，比如超薄型、耐高溫、可靠性高的產(chǎn)品等。
村田電子貿易（上海）有限公司 電容器產(chǎn)品技術(shù)科MLCC高級工程師高艾琳表示，目前芯片發(fā)展呈現制程越來(lái)越小的趨勢，芯片的核心電壓也越來(lái)越小，比如十多年前的芯片核心電壓在3.3V左右，但如今先進(jìn)芯片的核心電壓都在1V或1V以下。核心電壓下降對于芯片的供電電源穩定性要求會(huì )變高，以往電源波動(dòng)能夠接受10%以?xún)鹊姆秶?，但如今只能接?%甚至更小的波動(dòng)，于是對于芯片外圍的電容總容量要求就提高了。
對于A(yíng)I加速卡來(lái)說(shuō)，由于功耗越來(lái)越高，加速卡的PCB板上有更高容量的電容。在尺寸受到限制的加速卡PCB板上，就意味著(zhù)需要提高單顆電容的容量密度，以及提供更小型化大容量的電容產(chǎn)品。
村田面向AI加速卡和AI服務(wù)器的電容產(chǎn)品
在A(yíng)I加速卡中，村田能夠提供的產(chǎn)品非常豐富，除了電容之外，還有存儲、時(shí)鐘元件、溫度監測傳感器、晶振、熱敏電阻、DC-DC等器件。
電容產(chǎn)品方面，村田在加速卡主板上，提供小尺寸大容量的陶瓷電容方案和聚合物鋁電容方案。據介紹，目前已經(jīng)量產(chǎn)的MLCC產(chǎn)品最大可以達到330μF容量。
針對OAM模組，村田也推出了100V的電容，并將1210尺寸做到10μF的容量，0603可以達到1μF，0805也能夠達到2.2μF，相比20年前有了巨大的提升。另外，服務(wù)器主板上的小尺寸大容量電容也是村田的強項，包括0201尺寸最大可以做到10μF容量，另外主流的產(chǎn)品包括0402 22μF、0805 100μF等都是服務(wù)器上常用的產(chǎn)品規格。
在芯片封裝中也需要用到MLCC，我們平時(shí)常見(jiàn)的CPU上，比如AMD和英特爾的CPU底部我們都能看到一些非常小尺寸的MLCC。
在芯片封裝中集成更多電容，可以實(shí)現阻抗最優(yōu)設計，同時(shí)減少板級損耗，因此電容的小型化和大容量在芯片封裝中十分重要。村田在DSC表貼電容和LSC背貼電容上都能提供不同規格的產(chǎn)品，其中表貼電容方面，村田注重小型化和大容量，以及大容量和低ESL兩種產(chǎn)品。面向大容量和低ESL的需求，村田推出了三端子電容，三端子電容是所有陶瓷電容中單體ESL最低的電容，可以在05035尺寸實(shí)現22μF的大容量。
在背貼電容方面，村田提供低厚度+低ESL的產(chǎn)品，包括三端子電容和長(cháng)寬倒置電容都能滿(mǎn)足需求。長(cháng)寬倒置電容高度控制在220微米，相比普通電容高度薄了一半以上，村田可以在這個(gè)厚度實(shí)現2.2uF的高容量。三端子電容方面，為了應對背貼需求，村田也開(kāi)發(fā)了220微米高度的0402尺寸1uF電容。
總而言之，村田在A(yíng)I服務(wù)器上，包括服務(wù)器主板、AI加速卡主板、AI芯片封裝上，都能提供完整的MLCC產(chǎn)品。另外村田還提供主流的聚合物鋁電容，并往低厚度、低ESR的方向開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)做到4.5mΩ 470μF。
創(chuàng )新“埋容”方案
以往的電容都需要貼片到主板或者芯片基板上，而村田推出了一種創(chuàng )新方案，將電容集成到PCB內部，村田稱(chēng)之為Integrated Package Solution（內置埋容解決方案）。目前村田內置埋容方案提供三種規格。
據介紹，這種埋容方案采用了疊層工藝，內置埋容實(shí)際上也是與貼片電容一樣是不同層和不同材料組合的產(chǎn)品。而其中一個(gè)特點(diǎn)是通孔，可以直接連接埋容的頂部和底部電極，埋容電容內部有許多通孔結構，這樣的結構可以實(shí)現垂直供電，縮短封裝內供電距離，從而降低損耗。這在A(yíng)I服務(wù)器主板、AI加速卡等領(lǐng)域都會(huì )有很大的應用空間。
內置埋容的另一個(gè)特點(diǎn)是有很高的容值密度，因為特殊的內置方式，厚度可以相對較大在300~500微米，所以從面積計算電容密度的話(huà)，內置埋容的容值密度是2.3~3.0μF，相比MLCC更高。當然從體積角度來(lái)計算，MLCC仍是容值密度最高的。
另外，內置埋容在DC Bisa以及溫度特性上具備優(yōu)勢。從數據中可以看到，通常在電壓升高的情況下，目前市場(chǎng)上的常規電容會(huì )有容值下降的趨勢，而村田埋容的三種不同的尺寸容值電壓壓降的情況下是非常平穩的。
同時(shí)由于是聚合物電容，所以在高溫情況下埋容產(chǎn)品相比MLCC更加穩定，在高溫情況下容值能夠保持一定水平。
最后，據村田先端產(chǎn)品推廣科資深產(chǎn)品工程師王璐透露，這款產(chǎn)品預計在2025年下半年量產(chǎn)并上市。
