文章来源：松下电器机电

背景

在上篇的推文中，我们以处理器为中心介绍了生成式AI服务的工作原理概要、课题、以及构成生成式AI的硬件事例。本文将以客户实际采用的解决方案事例为基础，介绍对生成式AI用处理器的电源供给做出重大贡献的电容器有哪些性能要求。

松下课堂 | 生成式AI将如何改变世界？AI服务和支撑这些服务的电容器所需要的进化

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PART 01

高性能/高品质电容器的重要性

电容器在处理器中发挥的作用

在面向生成式AI的硬件中，电容器被用于不同的部位，其中在执行主要计算处理的处理器的电源线上使用的电容器发挥着尤为重要的作用。

就像人需要进食才能活动或思考一样，处理器为了执行计算处理，需要供给足够的电流。而负责供给该电流的就是“电源”。电流通过电源线被输送到处理器，但处理器经常需要的速度/大电流是电源供给速度无法跟上的。在供给跟不上需要的情况下，处理器稳定工作所需的电压会大幅下降，导致处理器停止工作。结果，用于学习和推理的计算处理也会停止。

为了防止这种意外事件发生，向处理器供给高速电流的就是“电容器”。但是，即使安装了电容器，如果其电容不足，同样会导致电压下降而使处理器停止工作（图表1-A）。

A：无导电性聚合物电容器

→ 电流供给不足，电压下降。

→ 无法实现电压的稳定化，超出允许范围。

→ 关机，数据处理中断。

图表1：处理器的电流要求和导电性电容器所做的贡献

许多用于生成式AI的处理器是需要大电流的处理器，实际上也有可能发生这种情况。因此，通过使用像松下机电株式会社生产的“导电性聚合物电容器”那样的大电容的电容器，供给充足的电流来防止压降，实现生成式AI用处理器长期/稳定计算处理的持续进行。（图表1-B）

B：有导电性聚合物电容器

→ 满足电流供给，抑制电压下降。

→ 停留在电压允许范围。＝电压稳定化。

→ 能够顺利地向更高速的处理转移。

图表1：处理器的电流要求和导电性电容器所做的贡献

导电性聚合物电容器的特点和对生成式AI用处理器所作的贡献

＜与其他类型电容器的比较＞

在电源设计中，根据设计要求，将多种类型/额定值的电容器组合在一起被认为是最优解。与其他类型电容器相比，导电性聚合物电容器作为面向生成式AI用处理器的元件具有哪些优点呢？导电性聚合物电容器被认为是平衡非常良好的电容器，一般来说，对于普通电解电容器/钽电容器具有较低的ESR和较高的安全性的优点（图表2左），对于陶瓷电容器具有稳定的电容和更少的贴装数量的优点（图表2右）。由于这些优点，导电性电容器被广泛活用于需要严格的电气特性和可靠性的生成式AI用处理器的电源。

＜普通电解/钽电容器＞

• 低一位数的ESR、阻抗→在高速电流中抑制电压变动

• 高安全性→为设计的高可靠性做出贡献

  ＜陶瓷电容器（MLCC）＞

• 不受电压和温度影响的稳定的大电容→防止电流供给不足引起的压降
  

• 较少的贴装数量→为简化设计做出贡献

图表2：导电性电容器相比其他类型电容器的优点

小型/低矮化

面向AI的处理器需要大电流来发挥其高计算能力，处理器的尺寸呈现逐年增大的趋势。在这种情况下，为了满足大电流要求，电源设备的尺寸也会变大，结果导致基板表面电容器设置位置不足的情况增加。针对这一课题，松下机电株式会社生产的导电性聚合物铝电解电容器（SP-Cap）充实了可配置在基板背面的低矮化产品（高2mm以下），为日益严峻的安装面积课题提供了有效的解决方案（图表3）。

图表3：传统的Can型电容器（左）与本公司SP-Cap（右）的安装自由度的比较

另一方面，即使是在表面可以配置电容器的情况下，与使用高度较大的电容器的情形相比，散热机构可以采用简单且散热性高的设计，从而可以提高硬件的可靠性（图表4）。

图表4：传统的Can型电容器（左）与本公司SP-Cap（右）的热设计自由度的比较

高可靠性

作为面向AI的硬件要求，另一个被重视的要素是长期可靠性。特别是在“学习”过程中，处理器需要长时间处于满负荷运行状态，因此设计时需要考虑足够的可靠性，以防止在此期间发生故障。此外，长时间运行时的基板温度取决于散热机构的设计和冷却方式，但一般来说，随着处理器性能的提高，对基板温度的要求也变得更为严格。因此，周围使用的零部件也必须是耐高温、长期可靠性高的产品。

为了满足这样的硬件要求，松下机电株式会社开发出了可以耐受在高温环境下长期使用的导电性电容器产品。作为可以确保在处理器周围温度升高的情况下也能保证可靠性的电容器，这是一种有效的选项。在以下图表中介绍了与其他公司类似电容器的耐久性试验（105℃2000h）中ESR及电容变化的比较结果。即使选择了电容/ESR规格相同的电容器，由于可靠性的差异，长期使用后的电压稳定化能力也存在着显著的差异。松下机电株式会社生产的导电性电容器（SP-Cap）在测试后特性几乎没有变化，实现了高可靠性。

PART 02

导电性聚合物电容器的特点和对生成式AI用处理器所作的贡献

在传统的Web服务中使用的服务器上，向处理器供给的电力通常是从服务器机架上的AC/DC转换器以12V的电压进行配电的。与此相比，用于生成式AI的服务器由于处理器配备数量多，大多以48V进行配电。因为如果以12V进行配电，则会发生非常大的功率损耗，而如果以48V进行配电就可以将电流减少为1/4，功率损耗减少为1/16。此时，通常会将面向处理器的电压从48V经由DC/DC转换器（1st stage）转换成中间电压，然后使用后级的DC/DC转换器（2nd stage）将其转换成处理器要使用的1.x V。此外，对于使用12V的元器件（PCIe和SSD等），从48V经由另一个DC/DC转换器进行12V的配电。

正如前文所述，本公司生产的导电性聚合物电容器用于向处理器供给高速大电流，但从整个电路的角度来看，各个电源（DC/DC转换器）的输入输出也都配置有电容器。这些电容器也是为了弥补从输入侧供给电流的延迟，使系统稳定工作而配置的。生成式AI中由于电源的故障而导致系统瘫痪将会造成巨大的损失，因此确保整个电源电路的可靠性是硬件设计中最重要的事项之一。正如前文所述，本公司生产的导电性聚合物电容器具有高安全/高可靠的特点，因此在整个生成式AI用硬件中都是一种有效的选项。

图表6：导电性聚合物电容器对生成式AI硬件所做的贡献点 （电源电路）

　　
总结

本文就生成式AI服务的快速发展和普及中起着关键作用的硬件进化，介绍了发挥核心作用的处理器的配置事例，同时就对计算处理性能做出重大贡献的电容器介绍了本公司生产的商品群事例。松下机电株式会社生产的导电性聚合物电容器满足了省面积和高可靠性等硬件要求，将为实现不断进化的生成式AI硬件的稳定工作做出贡献。