快進(jìn)到GaN數(shù)據(jù)中心

“硅芯片”一直是數(shù)據(jù)革命的支柱——實(shí)際上是推動(dòng)者——無(wú)論是在 CPU、GPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等的數(shù)據(jù)處理方面，還是在高壓交流電的電源轉(zhuǎn)換方面低至微處理器所需的 1V。問(wèn)題在于，作為功率轉(zhuǎn)換平臺(tái)的硅已經(jīng)達(dá)到其物理極限，現(xiàn)在是新半導(dǎo)體——氮化鎵 （GaN） ——取而代之的時(shí)候了。全球范圍內(nèi)的 Si 到 GaN 數(shù)據(jù)中心升級(jí)將減少 30-40% 的能源損失，這將轉(zhuǎn)化為到 2030 年節(jié)省超過(guò) 100 TWh 和 125 Mtons 的 CO 2排放量。

數(shù)據(jù)中心整合——超大規(guī)模

隨著互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP） 流量持續(xù)上升，規(guī)模經(jīng)濟(jì)意味著數(shù)據(jù)中心正在整合為“超大規(guī)?！边\(yùn)營(yíng)（圖 1）。這些設(shè)施是從頭開(kāi)始建造的，因此與傳統(tǒng)或改造的電源解決方案無(wú)關(guān)。

圖 1：年度 IP 流量增加和“超大規(guī)模”數(shù)據(jù)中心的興起（思科）

服務(wù)器和電信架構(gòu)的整合 – HVDC

讓我們看看數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)，以及 GaN 可以在哪些方面減少損失，從而節(jié)省資金和自然資源。對(duì)于服務(wù)器，這通常是空調(diào)房間中的AC 到 12 V DC，而對(duì)于傳統(tǒng)的低功能（例如僅語(yǔ)音）電信系統(tǒng)，這是遠(yuǎn)程、潮濕的“蜂窩塔”，需要 AC 來(lái)“防腐蝕” ， 負(fù)參考 48 V DC用于備用電池。隨著流量的增加，大多數(shù)電信系統(tǒng)已經(jīng)超出了原來(lái)的“僅基站”結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在處于類似的“干凈”環(huán)境中，因此 48V 可以作為正參考并使用類似的系統(tǒng)組件作為服務(wù)器。由于預(yù)測(cè)顯示從 2015 年到 2025 年僅 10 年數(shù)據(jù)流量就增加了 30 倍，預(yù)計(jì)這種趨勢(shì)將繼續(xù)下去。在整合方法中，我們還可以從交流配電向 400 V直流配電方法的過(guò)渡中受益，如圖 2 所示。

圖 2：將服務(wù)器 AC 和電信 48 VDC 架構(gòu)整合到 400 VDC HVDC 系統(tǒng)中。［NTT］

為什么是氮化鎵？

鎵（Ga， 原子序數(shù) 31） 和氮 （N， 7） 結(jié)合成半導(dǎo)體材料 – 氮化鎵 （GaN） – 就像硅 （Si， 14）。GaN 是一種“寬帶隙”材料，因?yàn)樗峁┑?a target="_blank">電子帶隙比硅大 3 倍，這意味著它可以用非常小的芯片處理大電場(chǎng)。憑借更小的晶體管和更短的電流路徑，實(shí)現(xiàn)了超低電阻和電容，同時(shí)使開(kāi)關(guān)速度提高了 100 倍。低電阻和低電容可轉(zhuǎn)化為更高的電源轉(zhuǎn)換效率，因此向 IT 負(fù)載提供更多功率。這意味著每瓦有更多的功能或“操作”，而不是將能量作為熱量燃燒掉，從而使系統(tǒng)變暖并產(chǎn)生額外的冷卻（空調(diào)）工作負(fù)載。此外，高速（頻率）開(kāi)關(guān)意味著更小的尺寸和

GaN 作為功率元件構(gòu)建塊的實(shí)用和高性能實(shí)施在集成解決方案中 - Navitas Semiconductor 的 GaNFast 功率 IC。在這里，GaN 電源 （FET）、驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)高度集成，以創(chuàng)建易于使用、高性能、高頻 （2 MHz） 的“數(shù)字輸入、電源輸出”構(gòu)建塊。GaN 功率 IC 是第二次電力電子革命的催化劑。

圖 3：電力電子領(lǐng)域的兩次革命，新開(kāi)關(guān)材料、集成、新磁性和新拓?fù)涞摹巴昝里L(fēng)暴”正在推動(dòng)從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界的轉(zhuǎn)變。每一次革命的結(jié)果都是開(kāi)關(guān)頻率、效率、功率密度的顯著提高和成本的大幅降低。2014年Navitas Semiconductor的進(jìn)入標(biāo)志著GaN功率IC的推出。

“第二次革命”始于移動(dòng)快速充電器市場(chǎng)，Anker、AUKEY 和 Belkin 等售后配件公司提供 30-100W 的單端口和多端口基于 GaN 的充電器。聯(lián)想、戴爾、小米、OPPO 和華碩等一級(jí)原始設(shè)備制造商隨后發(fā)布了高達(dá) 300W 的智能手機(jī)和筆記本電腦充電器。現(xiàn)已有超過(guò) 900 萬(wàn)個(gè) GaNFast 電源 IC 出貨，現(xiàn)場(chǎng)故障為零，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間超過(guò) 170 億小時(shí)。該可靠性數(shù)據(jù)是保守的“關(guān)鍵任務(wù)”數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)采用氮化鎵的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在文章的第二部分，我們將介紹氮化鎵在多千瓦 AC-48V DC 中的使用，以及用于下游存儲(chǔ)、CPU、GPU 和內(nèi)存負(fù)載的 400-48V （HVDC） 和 48-xV 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)中心。

審核編輯：郭婷