Power Modules holen das Mooresche Gesetz ein

Das Mooresche Gesetz, oder genauer gesagt seine Prognose, besagte, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem komplexen IC etwa einmal pro Jahr verdoppeln würde. Gordon Moore machte diese Aussage 1965 in einer populären Zeitschrift und blickte dabei nur zehn Jahre in die Zukunft.

Er sagte voraus, dass sich die Anzahl der Komponenten in einem IC von etwa 50 im Jahr 1965 bis 1975 auf 65.000 erhöhen könnte – auf einem 6 × 6mm großen Chip. Seine Vorhersage erwies sich als weitgehend zutreffend: Der 1976 eingeführte Intel 8086 verfügte über 29.000 Transistoren bei einem Strukturmaß von 3,2µm. Moore revidierte später seine Einschätzung auf eine Verdoppelung alle zwei Jahre. Auch wenn sich das Komplexitätswachstum inzwischen verlangsamt hat, liegt TSMCs 2-nm-Prozess (N2) im Zeitplan für die Massenproduktion in der zweiten Jahreshälfte 2025 – eine bemerkenswerte Verkleinerung der Strukturgröße um den Faktor 1600.

Stand 2025 hält Apples M3 Ultra den aktuellen Rekord für einen Mikroprozessor der Verbraucher- bzw. Desktop-Klasse – mit etwa 184 Milliarden Transistoren, ermöglicht durch ein Dual-Die-Design und gefertigt im 5nm-Prozess. Dieses 'System on a Chip' besteht aus zwei Chips mit einer Fläche von jeweils 420mm2. Prozessinnovationen wie 3D-Transistoren und „Die-Stacking“ haben dazu geführt, dass sich die Rechenleistung pro mm2 weiterhin einem exponentiellen Trend folgt.

Bei der Bewertung eines Systems – oder einer Gruppe von Systemen – im Hinblick auf Stromversorgungslösungen, Stromquellen oder Analysen zu Stromverbrauch, Energieeffizienz oder Energiespeicherung ist es hilfreich, Quellen und Lasten getrennt zu betrachten. Auf der grundlegendsten Ebene bedeutet das, die Stromversorgungen von den Endverbrauchern zu unterscheiden, die die bereitgestellte Energie nutzen. Man kann sich Quellen und Lasten als voneinander unabhängige Black Boxes vorstellen, die miteinander „kommunizieren“. Die folgende Abbildung zeigt eine konzeptionelle Darstellung eines Systems in Form eines Blockdiagramms – am Beispiel einer Computer- oder Serverarchitektur –, in der die Unterscheidung zwischen typischen Stromquellen und Lasten deutlich wird.


Diese Unterscheidung ist besonders relevant, wenn man das Entwicklungstempo technologischer Fortschritte in komplexen Systemen betrachtet, die aus zahlreichen Komponenten bestehen und von Faktoren wie Technik, Fertigung und Lieferkette beeinflusst werden. Die Trends exponentieller Verbesserungen – etwa bei Transistoranzahl, Leistungsdichte oder Energieeffizienz – betreffen überwiegend die Lastseite. Komponenten auf der Quellseite, die typischerweise aus Magnetik, Leistungstransistoren und Energiespeichern bestehen, entwickeln sich im Vergleich zu Niederspannungshalbleitern deutlich langsamer.

Im Prinzip haben sich die in PoL-Wandlern verwendeten Umwandlungstopologien über mehrere Jahrzehnte kaum verändert. Buck-, Boost- und Buck-Boost-Schaltungen bleiben Standard und verwenden weiterhin einen Halbleiterschalter, eine Diode oder einen Synchronwandler, eine Induktivität und einen Kondensator, wobei die Regelung mittels Pulsbreiten- oder Frequenzmodulation erfolgt. Die Schalter wurden so weiterentwickelt, dass sie geringere statische und dynamische Verluste aufweisen und mit höheren Frequenzen arbeiten. Auch die Materialien der Induktivitätskerne und Kondensatoren wurden schrittweise verbessert, um Verluste zu verringern. Infolgedessen hat sich der Wirkungsgrad erhöht, was wiederum eine bessere Leistungsdichte ermöglicht – PoL-Wandler konnten sich bei gleicher Last und Temperaturerhöhung verkleinern. Der Nutzen ist jedoch nicht dem Mooreschen Gesetz gefolgt, und Leistungswandler machen nach wie vor einen großen Teil der Platinenfläche aus.

Ein Teil des Problems mit der Größe des PoL-Wandlers besteht darin, dass traditionell diskrete Komponenten auf einem Substrat mit geringer Integration verwendet wurden. Dies ergibt sich aus der einfachen Tatsache, dass es sich um Leistungswandler handelt, die unweigerlich Wärme abführen müssen, sodass große Komponenten erforderlich sind, um den Temperaturanstieg gering zu halten. Außerdem ist es schwierig, die Spule und ihren Kern anders als als sperriges, diskretes Bauteil herzustellen, und die Ferritkerntechnologie hat sich über die Jahrzehnte nur in kleinen Schritten verbessert. Das bedeutet, dass eine minimale Anzahl von Spulenwindungen erforderlich ist, die zudem dick genug sein müssen, um den höheren Strömen ohne Überhitzung standzuhalten – was zu einem sperrigen Bauteil führt. Die Anzahl der erforderlichen Windungen nimmt zwar mit steigender Schaltfrequenz bei gleicher Kernflussdichte und Ausgangsrestwelligkeit ab, aber gleichzeitig steigen die Schaltverluste des Kerns und des PoL-Wandlers, sodass dennoch ein größerer PoL erforderlich ist, um die zusätzliche Wärme abzuführen. All dies bedeutet, dass die Verkleinerung von PoL-Wandlern im Gegensatz zu Prozessoren direkt zu thermischen Problemen führt und die Gesamtgewinne begrenzt.

Da die Leistungsbudgets schneller sinken als die Verfügbarkeit von Stromquellen steigt, erfordert die Einhaltung des Mooreschen Gesetzes nun eine Fokussierung auf die Reduzierung der Leistungsbudgets, anstatt einfach nur größere Stromversorgungen zu entwickeln. Intelligente Energiemanagementtechniken (IPM) helfen dabei, die Stromverteilung und -nutzung in Computersystemen und Rechenzentren zu optimieren [3].

Dieser Mentalitätswandel umfasst:

• Übergang von Always-on- zu Always-available-Stromarchitekturen
• Peak Shaving: Nutzung von Energiespeichern zur Bewältigung von Leistungsspitzen bei gleichzeitiger Optimierung der Dauerleistung
• Lastabwurf/Konsolidierung: Abschalten ungenutzter Subsysteme zur Verbesserung der Energieeffizienz
• Optimierung der Stromverteilung: Vermeidung von überdimensionierten Stromversorgungen für Worst-Case-Szenarien

Point-of-Load-Wandlermodule haben keine standardisierten Eingangsbereiche, und die erforderlichen Ausgänge können von etwa 0,5V bis 3,3V oder bis zu 5V bei älteren Designs reichen. Auch die Stromstärken variieren stark, von unter einem Ampere bis zu mehreren zehn Ampere. Der Eingang eines Leistungsmoduls kann von einem geregelten Bus mit 12V, 5V, 3,3V oder manchmal einem Zwischenwert wie 9V stammen. Bei batteriebetriebenen Geräten kann der Eingang von einer Lithium-Ionen-Zelle mit etwa 3,7V kommen, die beim Laden jedoch über 4V ansteigt und bei starker Entladung auf 3V oder weniger absinkt. Alternativ kann der Eingang von einer ungeregelten Quelle stammen und über einen Bereich von 2:1 oder mehr schwanken.

Um eine breite Palette von Anwendungen abzudecken, bietet RECOM jetzt Bauteile der RP- und RB-Serien mit Eingangsbereichen von bis zu 0,85V für Aufwärtswandler und bis zu 65V für Abwärtswandler an. Alle Bauteile verfügen über einstellbare Ausgänge und unterstützen Anwendungen mit Ausgangsspannungen von 0,6V bis 35V. Die Nennströme liegen zwischen 0,5A und 15A. Abbildung 6 fasst die verfügbaren Abwärtswandler-Kombinationen zusammen.


Abbildung 7 zeigt ebenfalls die Palette der von RECOM erhältlichen Boost-Power-Module mit einer Nennstromstärke von bis zu 10A. Die Bauteile RBB5-1.5 und RBB10 sind Buck-Boost-Typen, bei denen der Ausgang höher oder niedriger als der Eingang sein kann, was nützlich ist, um eine geregelte Versorgung aus einer Batteriequelle während der Entladung aufrechtzuerhalten. Die bis zu 1,5A ausgelegten Aufwärtswandler verfügen über einen Überspannungsschutz am Ausgang und alle besitzen eine echte Lasttrennungsfunktion im deaktivierten Zustand, was notwendig ist, da bei nicht schaltendem Aufwärtswandler üblicherweise ein direkter Gleichstrompfad besteht. Alle Abwärts- und Aufwärtswandler sind zudem mit einem Übertemperatur- und Ausgangsüberstromschutz ausgestattet.

Haben die Leistungsmodule also mit dem Mooreschen Gesetz Schritt gehalten? Betrachten wir dazu ein paar Beispiele und vergleichen PoL-Wandler mit 24V Eingang und 3,3V Ausgang bei 4A. Im Jahr 2018 wurde ein Bauteil als „führend in der Weiterentwicklung der Stromumwandlung“ beworben. Es hatte eine Grundfläche von 33mm × 13,6mm, war 8,8mm hoch und wies ein Volumen von 3950mm³ auf. Heute hat der RECOM RPX-4.0 eine Grundfläche von 5mm × 5,5mm, ist 4,1mm hoch und belegt lediglich 113mm³ – was einer 35-fachen Steigerung der Leistungsdichte entspricht. Interessanterweise ist der Wirkungsgrad beider Bauteile in etwa gleich; die Verbesserung ist vollständig auf höhere Schaltfrequenzen, kleinere Komponenten und 3D Power Packaging^®-Technologien zurückzuführen.

Ein weiteres Beispiel ist die Umwandlung von 5V in 1,8V bei 2A. Ältere Bauteile mit THT-Montage weisen nach wie vor eine Grundfläche von 14mm × 7,5mm und eine Höhe von 10,1mm auf. Im Vergleich dazu misst der RECOM RPZ-2.0 nur 3mm × 3mm bei einer Höhe von 1,1mm und erreicht eine beeindruckende 107-fache Steigerung der Leistungsdichte (Abbildung 8). Die Grundfläche hat sich nahezu um den Faktor 12 verringert, das RECOM-Bauteil wird vollständig einseitig auf der Hauptplatine montiert, und die aufwendige manuelle Platzierung sowie das Löten von THT-Bauteilen entfallen.

Bei älteren PoL-Wandlern mit Open-Frame-DIP-Technologie war es für Benutzer oft offensichtlich, dass die gleichen Komponenten direkt auf dem Motherboard eingebaut werden konnten, was den Wert eines zugekauften Moduls fraglich machte. Selbst platzsparende SIP-Teile ließen sich leicht mit denselben Komponententypen und Montagetechniken nachbauen, die bereits auf der Hauptplatine verwendet wurden. Power-Module mit 3D Power Packaging hingegen können nicht wirtschaftlich mit Standardmethoden der Motherboard-Fertigung repliziert werden. Diese Module werden inzwischen eher wie Standardkomponenten – etwa Widerstände oder Kondensatoren – betrachtet, die Benutzer nicht selbst herstellen würden. Ihre kompakte Größe ermöglicht eine einfache Platzierung um oder unter anderen Komponenten, während die heute eingesetzten hochautomatisierten Fertigungsprozesse die Kosten senken und die Zuverlässigkeit erhöhen.

Auch wenn Stromversorgungslösungen möglicherweise nicht ganz mit dem Tempo des Mooreschen Gesetzes oder der MEMS-Skalierung Schritt halten können, verringert sich der Abstand zwischen Quelle und Last rapide. Dank intelligentem Energiemanagement, Energiespeicherung und fortschrittlichen Techniken wie 3D Power Packaging® bieten heutige Leistungsmodule eine Leistungsdichte, die weit über das hinausgeht, was diskrete Lösungen bieten können. Diese Innovationen ermöglichen kompakte, effiziente und skalierbare Designs, die den modernen Leistungsanforderungen gerecht werden. Da die Automatisierung die Kosten senkt und RECOM ein breites Portfolio anbietet, das alles von Handhelds bis zu Serverplatinen abdeckt, sind modulbasierte Lösungen heute die klare Wahl für Elektronik der nächsten Generation.

[1] [1] B. Zahnstecher, “Best Practices for Low-Power (IoT/IIoT) Designs: SEPARATING THE SOURCE-SIDE & LOAD-SIDE ANALYSES,” ECCE 2022 Tutorial, Detroit, MI, October 9, 2022
[2] “DC/DC for GaN,” RECOM Blog, Sep 16, 2022, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (accessed January 23, 2023)
[3] Data Center Facilities Definitions, "Intelligent Power Management (IPM)," TechTarget, https://www.techtarget.com/searchdatacenter/definitions/Data-center-design-and-facilities (accessed February 24, 2023)