環旭電子 | 突破 AI 能源高牆：Power Block 與 3D 微小化解決方案

12/31/2025

突破 AI 能源高牆：Power Block 與 3D 微小化解決方案

講者：沈里正博士，環旭電子微小化技術中心 (MCC) AVP

近期在 IMPACT 2025 研討會上，USI 環旭電子的沈里正博士受邀擔任主題講者，分享了針對高效能運算（HPC）的技術實踐路徑。面對 AI 伺服器對算力的渴求，我們認為「電力傳輸 (Power Delivery)」已不再是配角，而是決定 AI 發展速度的關鍵燃料。本文將深入解析 USI 環旭電子如何透過先進的模組化 (Modulization) 與微小化 (Miniaturization) 製程技術，突破物理空間限制，實現下一代 AI 基礎設施所需的高效能電力解決方案。

為何「電力傳輸」成為 AI 發展的隱形天花板？

在生成式 AI 的時代，算力需求呈現指數級爆發，這導致晶片的熱設計功耗（TDP）急劇攀升。許多人關注運算速度，但對於產業而言，理解「能源渴求 (Energy Eagerness)」是洞察硬體趨勢的第一步。根據我們的分析，主流 GPU 的功耗增長趨勢如下：

Nvidia 架構：從 H100 的 700W (SXM) 到下一代 Blackwell (B200) 的 1,200W，再到未來 Rubin 平台預計突破 2,000W 甚至更高，短短數年間功耗需求成長了數倍。
AMD 與 Intel 架構：同樣呈現陡峭的上升曲線，AMD MI355X 預計達到 1,400W，Intel Gaudi 3 亦大幅提升至 900W。

核心問題：在資料中心機櫃尺寸（X、Y、Z 軸）固定的前提下，我們要如何塞入倍增的電力需求？這就像是將汽車的功能塞進智慧型手機的大小，既要極致的效能，又受限於有限的空間。

Fig 1. 傳統板端電源效率提升方案

傳統透過更換低損耗元件（如 Power Stage 或電感）僅能帶來約 2% 的效率提升，面對翻倍的功耗需求，我們必須尋求更激進的架構改變。

如何實現「垂直供電 (Vertical Power Delivery)」

為了滿足空間與效率的雙重需求，電源架構從橫向 (Lateral) 轉向垂直 (Vertical) 已成為業界共識。USI 的研發重點在於如何透過封裝與模組化技術，促使這一架構轉型得以落地實踐。

Fig 2. 橫向供電與垂直供電的對比圖

相較於傳統的並排式（Side-by-Side）佈局，透過垂直供電架構的實踐，可達成以下突破（數據來源參考 ASE 測試結果，新增下圖說明）：

大幅降低傳輸損耗：由於電流傳輸路徑大幅縮短，傳輸損耗 (Transmission Loss) 可從傳統的 12% 降至約 6%，損耗減少幅度達 50% 以上。
顯著提升功率密度：透過 3D 堆疊與埋入式技術，功率密度可從 0.4 A/mm² 提升至 0.6 A/mm²，單位面積的供電能力增加了 50% 。

Fig 3. 垂直整合之穩壓模組

核心技術解析：電源模組(Power Block) 模組化技術

在技術實作層面，USI 的策略核心在於對電源模組(Power Block) 進行結構優化與製造創新。我們不僅是組裝，更深入元件內部的結構設計，將電感、電容、功率場效電晶體、與驅動器整合為單一的高密度模組。

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Fig 4. Power Block 的 3D 結構

微小化的挑戰與實踐：為了適應更密集的伺服器排列，模組厚度必須不斷壓縮。從過去的 8mm 到 5mm，USI 目前正挑戰 4mm 的極限厚度。

3D 結構優化：我們利用合金銅夾 (Metal Clip) 和排針 (Pin Header) 建立垂直互連，取代佔空間的傳統佈線。
散熱與接地處理：針對 PMIC 的 QFN 封裝接地與散熱需求，可採用晶片內埋或低氣泡孔隙接合製程技術，確保在大電流運作下的熱穩定性。

Fig 5. 資料中心電供模組發展趨勢

未來趨勢預測：800V 高壓直流與 IVR 整合

1. 轉向 800V 高壓直流 (HVDC)

針對資料中心的未來架構，USI 還旭電子與日月光半導體正在佈局下一階段的技術藍圖。隨著單機櫃功耗從 100kW 邁向 1MW，傳統的 48V 配電架構面臨巨大挑戰。我們正積極開發支援 800V DC 的電源模組。

物理原理：根據 P = IV 與 P_loss = I²R，提高電壓可顯著降低電流，進而大幅減少傳輸過程中的熱損耗。
輕量化優勢：低電流允許使用更細的銅纜，解決了目前 AI 伺服器機櫃因大量粗銅纜而過重的結構性問題。

Fig 6. 800V 直流配電架構圖

2. 整合式穩壓器 (IVR)

展望更長遠的未來，電力傳輸將進一步整合至晶片內部的矽中介層 (CoWoS) 中。USI作為模組化技術的領導者，正扮演著連接「板級電源」與「晶片級電源 (IVR)」的關鍵橋樑，提供從 48V 到 1V 的完整轉換方案。

攜手關鍵夥伴，打破效能高牆

沈博士的演講將 USI環旭電子定位為關鍵 AI 基礎設施的共同開發者，而不僅僅是組裝商。USI環旭電子擁有業界最全面的「工具箱 (Toolbox)」，涵蓋從晶片封裝、模組設計到系統組裝的端到端能力，包含多項關鍵技術優勢：

端到端整合能力：與專注於單一階段的競爭對手不同，USI 跨足整個價值鏈：從系統封裝、模組設計到系統整合。這使得 USI 能夠從整體上優化電力傳輸，在模組層級解決問題，從而解決系統層級的限制。
微小化技術的領導地位 (3D SiP)： USI 在埋入式被動元件和先進模塑方面擁有經過驗證的專業知識。
散熱與訊號完整性專業：透過掌握「電源模塊」，USI 更加能夠為雙重挑戰提供解法：從日益密集的叢集中散熱，並確保向敏感的處理器提供純淨的電力。

總結來說，隨著 AI 晶片變得更大、更強，支援它們的元件必須變得更小、更聰明且更整合。USI環旭電子正站在這場「高效能微小化」革命的最前線。