清华新闻网8月13日电 近日，清华大学集成电路学院刘效森副教授与合作者围绕AI芯片大功率垂直供电开展的联合科研项目顺利完成。联合团队从电源转换拓扑、三维功率模块、垂直供电架构和多模块协同控制四个层面系统攻关，形成三项彼此衔接的创新成果。项目在宽输入高效电能变换、三维垂直供电模块和多模块协同控制方面取得系列进展，相关三篇论文发表于2026年IEEE应用电力电子会议暨展览会（APEC 2026），并全部入选技术演讲（Technical Lecture）。

AI芯片越强，越可能先被一个看似基础的问题卡住：电，怎么送进去？AI芯片供电通常具有千安级峰值电流和低于1 V核心电压的特征，使传统由机柜至板端电压调节模块（VRM）的远距离供电方案受到I²R损耗、寄生电感和安装空间等物理条件限制。以采用54 V供电的10 kW级AI机柜为例，大电流所需铜排会占用较多机柜空间，挤压GPU部署位置，供电损耗还会增加散热与运营成本。面向持续攀升的机柜功率，英伟达已公开提出自2027年起推动支持兆瓦级机柜的800 V直流数据中心供电架构；从48 V中间母线向1 V级芯片核心电压转换的垂直供电，也成为缩短近芯供电路径的重要技术方向。供电方案的优劣，直接影响万卡级AI集群能否顺利规模化部署。

图1.千瓦级AI供电方案概念图

面向这一共性问题，清华团队形成“100 A高密度电源砖—160 A垂直供电模块—10 kW级多模块智能协同”的递进路线，重点开展电源拓扑、三维集成结构、多物理场建模与控制方法研究，贯通高效变换、近芯输送和规模扩展三个环节。

在电能变换方面，面向48 V中间母线场景，传统降压变换器在大降压比和大电流下容易增加开关损耗与磁性元件体积，谐振开关电容变换器虽具有高效率和高功率密度优势，但宽范围稳压能力有限。

针对这一矛盾，团队提出调节型谐振开关电容变换器（R²SC）及统一硬软开关控制方法（UHSC），通过前级电压调节与后级谐振变换协同，在宽输入和负载范围内维持稳压，并自主跟踪零电流开关时刻，减少反向环流和级间电容充放电量。原型支持30至60 V输入、6 V/100 A输出，转换效率达到95.6%，功率密度达到1339 W/in³，使高密度电源砖兼具宽输入、可稳压、高效率和紧凑尺寸，为适配服务器母线波动与快速变化的计算负载提供技术基础。

图2.调节型谐振开关电容变换器（R²SC）架构

在近芯供电方面，团队提出底部输入、顶部输出的三维垂直供电模块，将电源转换单元部署在计算芯片下方，通过更短的垂直路径向上供电，并结合电气、热和结构多物理场协同优化。模块采用背靠背三维结构，上下基板通过镀金铜柱实现电气与机械连接，铜柱等效电阻低于0.2 mΩ；电感与MOSFET分置于上下基板，以扩大散热面积并抑制局部热点。单相模块尺寸约为22.5 mm×22.5 mm×12 mm，可输出40 A；四相原型可输出160 A，峰值效率达到97%，满载效率超过94%，功率密度达到1295 W/in³，满载最高温度低于84℃，相间电流偏差控制在0.6 A以内。模块支持按处理器功耗和封装形态灵活组合，论文进一步给出了面向约10 kW、833 A级处理器的多模块扩展路径。相比为每一代芯片重新设计整套电源，这种“积木式”方案有望缩短研发周期，并适配不同功率等级和封装形态。

图3.四相三维垂直供电模块结构示意图

在规模扩展方面，团队针对多个电源模块并联时器件参数、互连阻抗与温度分布差异造成的电流失配和局部热点，提出电流-温度-电阻协同模型（CTRM）和转换损耗均衡方法（CLS）。不同于仅追求相间电流一致的传统均流策略，该方法依据各支路的实时电热状态动态分配负载。实验结果显示，总转换损耗降低8%至29%，相间温差偏差降低76%，系统效率提高2.4个百分点。

图4.电流-温度-电阻协同模型及转换损耗均衡方法

三项研究贯通电源转换拓扑、封装互连、多物理场优化和系统级控制，为高性能计算供电由板级横向传输向近芯垂直集成、由单模块设计向可组合扩展演进提供了新的技术路径。相关成果不仅验证单一工作点的效率指标，还通过100 A电源砖、160 A四相模块和10 kW级系统扩展方案，回答了高密度供电的可制造、可组合与可扩展问题。这条路线不只关注把更多电流送入芯片，也着眼于送得更近、更稳、更高效，并使供电能力能够随算力规模协同扩展。

从产业应用看，相关成果有望支撑联想高密度超节点硬件研发，进一步抬升机柜功率密度上限，优化整机能耗与散热水平，降低算力运营成本。模块化、可组合的垂直供电方案可适配不同功率等级和封装形态，为新一代AI服务器与超节点产品创新、万卡级大型算力集群建设提供技术支撑；围绕高压供电技术演进形成的服务器电源与系统协同设计能力，也有助于构筑硬件设计差异化竞争壁垒，增强联想在算力基础设施产业链中的先发优势。

联合研究中，清华团队重点开展总体技术路线、关键电路与模块设计、多物理场建模和原型验证；联想集团研发人员结合高性能计算应用需求参与研究。产学研协同使前沿电源技术能够在真实系统约束下开展设计与验证，为后续成果转化奠定基础。

清华大学集成电路学院2024级博士生王昊宇为三篇论文第一作者，刘效森副教授为论文通讯作者。联想集团相关研发人员参与研究并为论文共同作者。研究得到清华大学与联想集团联合科研项目支持。

APEC是国际电力电子领域的重要会议，长期关注器件、电路、系统及工程应用。三篇论文分别入选“48 V中间母线DC-DC变换器”“高密度功率模块设计”和“寄生参数提取与优化”专题技术演讲。

论文链接：

R²SC变换器论文：https://doi.org/10.1109/APEC51134.2026.11516838

160 A垂直供电模块论文：https://doi.org/10.1109/APEC51134.2026.11517052

CTRM/CLS协同建模与控制论文：https://doi.org/10.1109/APEC51134.2026.11517022

供稿：集成电路学院

编辑：李华山

审核：王晓霞