數(shù)據(jù)中心能耗越來(lái)越大，氮化鎵會(huì)是效救星嗎？

數(shù)位經(jīng)濟(jì)正經(jīng)歷一場(chǎng)由兩大趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)的巨大變革，一個(gè)是即時(shí)數(shù)據(jù)分析，另一個(gè)是生成式人工智能（Generative AI）的快速發(fā)展。目前，一場(chǎng)激烈的生成式AI競(jìng)賽正如火如荼的進(jìn)行中，科技巨頭如亞馬遜（Amazon）、谷歌（Google）、微軟（Microsoft）皆大舉投資生成式AI的研發(fā)創(chuàng)新。根據(jù)彭博智庫(kù)（Bloomberg Intelligence）預(yù)測(cè)，生成式AI市場(chǎng)將以42%的年增率成長(zhǎng)，從2022年400億美元市值，于10年內(nèi)增長(zhǎng)至1.3萬(wàn)億美元。

在AI的蓬勃發(fā)展下，數(shù)據(jù)中心對(duì)電力與運(yùn)算的需求呈正比成長(zhǎng)，激增的用電量不僅對(duì)營(yíng)運(yùn)效率造成壓力，更成為數(shù)據(jù)中心達(dá)成凈零排放目標(biāo)的阻礙。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心所采用的電力轉(zhuǎn)換及分配技術(shù)，已難以滿足來(lái)自云計(jì)算及機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)算需求，面對(duì)更龐大能源的生成式AI應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正急迫地尋找創(chuàng)新電力解決方案。

近年來(lái)快速發(fā)展的氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。接下來(lái)的文章將進(jìn)一步探討生成式AI對(duì)數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的挑戰(zhàn)、氮化鎵功率器件的優(yōu)勢(shì)，最后分析業(yè)界普遍使用的“電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）”指標(biāo)中所存在的漏洞，這些洞察皆將指向一個(gè)結(jié)論，氮化鎵功率元件在數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將加速落地。

生成式AI對(duì)數(shù)據(jù)中心的沖擊將加劇

面對(duì)數(shù)據(jù)量爆炸，依傳統(tǒng)工作負(fù)載量所規(guī)劃的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)構(gòu)架正面臨巨大壓力。全球數(shù)據(jù)量每?jī)赡瓯惴瓭q一倍，處理、儲(chǔ)存這些龐大數(shù)據(jù)的服務(wù)器，需要大量的能源及水資源來(lái)維持運(yùn)作。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測(cè)，在未來(lái)五年內(nèi)，僅僅是位于美國(guó)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心便將新增39GW的用電量，相當(dāng)于3200萬(wàn)的家庭一年的用電量。

生成式AI帶來(lái)破壞式創(chuàng)新與商機(jī)，但隨之而來(lái)的能源需求也是前所未有。一篇研究文章指出，訓(xùn)練最新一代的生成式AI模型，較上一代模型高出十至百倍。生成式AI應(yīng)用主要的能耗來(lái)自于兩方面，一是訓(xùn)練構(gòu)成生成式AI系統(tǒng)核心的大型語(yǔ)言模型（LLMs）時(shí)需要的能源，另外便是大型語(yǔ)言模型運(yùn)行時(shí)的能耗。

生成式AI的用電量高的難以置信，假設(shè)每次谷歌搜索需耗費(fèi)相當(dāng)于一個(gè)100W燈泡發(fā)光11秒鐘的電量，如今當(dāng)紅的生成式AI應(yīng)用工具ChatGPT每回答一個(gè)問(wèn)題的用電量，竟比谷歌搜索高出50-100倍。面對(duì)突增的電力需求，升級(jí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)架迫在眉睫，數(shù)據(jù)中心業(yè)者更直言接下來(lái)4年數(shù)據(jù)中心在升級(jí)設(shè)備的花費(fèi)預(yù)估將高達(dá)1萬(wàn)億美元。

雖然如浸沒(méi)式冷卻、人工智慧優(yōu)化方案、廢熱再利用等新興技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，但這些方案皆無(wú)法從根本解決問(wèn)題。由于基于硅開(kāi)發(fā)的功率元件效率低落，現(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心高度依賴?yán)鋮s系統(tǒng)來(lái)維持安全的運(yùn)作溫度，因此兼具能效、尺寸優(yōu)勢(shì)及輸出功率的電力解決方案正是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心急迫所需。

氮化鎵具有優(yōu)秀的效率與性能

相較傳統(tǒng)電源供應(yīng)器，基于氮化鎵功率元件設(shè)計(jì)的電源供應(yīng)器，能實(shí)現(xiàn)超群的性能與效率，在生成式AI應(yīng)用不斷升級(jí)下，成為數(shù)據(jù)中心理想選擇。憑借更快的開(kāi)關(guān)速度及卓越的輸入和輸出品質(zhì)因數(shù)（Figures of Merit），氮化鎵實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，帶來(lái)超越鈦金級(jí)的能效表現(xiàn)，并大幅提高功率密度。

氮化鎵晶體管為電源設(shè)備帶來(lái)更高的效率水準(zhǔn)，效率提高代表能源損耗減少，設(shè)備也能減少過(guò)熱情形。舉例來(lái)說(shuō)，在典型數(shù)據(jù)中心構(gòu)架中，基于氮化鎵設(shè)計(jì)的電源供應(yīng)器每年可為每10個(gè)機(jī)架增加300萬(wàn)美元的營(yíng)收，減少100公噸的二氧化碳排放量，省下13，000美元的運(yùn)營(yíng)支出。當(dāng)生成式AI對(duì)電力需求持續(xù)攀升、且每機(jī)架的功率密度提升至2-3倍時(shí)，這些氮化鎵所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)將更顯著。

你也許會(huì)好奇，氮化鎵的所帶來(lái)的好處如此顯而易見(jiàn)，但為什么數(shù)據(jù)中心業(yè)者沒(méi)有立即轉(zhuǎn)用這項(xiàng)技術(shù)？廣受數(shù)據(jù)中心使用的PUE指標(biāo)中有一項(xiàng)經(jīng)常被忽視的盲區(qū)，也就是我們所稱“能耗指標(biāo)漏洞（PUE Loophole）”，這便是氮化鎵技術(shù)普及受限的主因。

什么是能耗指標(biāo)漏洞

PUE代表IT設(shè)備負(fù)載耗電量占總耗電的比例，普遍作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)。密切監(jiān)控并持續(xù)改善PUE對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)優(yōu)化十分重要，降低PUE代表減少用電量，進(jìn)而減少運(yùn)營(yíng)成本及環(huán)境沖擊。

然而，PUE僅計(jì)算了電力傳輸至服務(wù)器的效率，卻忽略了服務(wù)器中電力轉(zhuǎn)換間的能源損耗，這便是能耗指標(biāo)漏洞，數(shù)據(jù)中心以PUE作為評(píng)價(jià)整體運(yùn)營(yíng)成效時(shí)會(huì)產(chǎn)生的盲區(qū)。

這個(gè)盲區(qū)造成當(dāng)前許多服務(wù)器仍采用效率僅有90%甚至更低的AC-DC轉(zhuǎn)換器，這代表了每次AC-DC能源轉(zhuǎn)換間，有10%的能源在轉(zhuǎn)換中被浪費(fèi)了，這不但增加了電費(fèi)成本及碳排放量，被浪費(fèi)的能源同時(shí)以熱的方式排出，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)中心對(duì)額外冷卻系統(tǒng)的需求，冷卻系統(tǒng)也是另一個(gè)非常耗電的設(shè)備。

氮化鎵功率半導(dǎo)體將為這個(gè)挑戰(zhàn)帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)，為數(shù)據(jù)中心提供一個(gè)立即見(jiàn)效且高性價(jià)比的方式來(lái)解決能耗指標(biāo)的漏洞，并省下龐大的電力需求。采用氮化鎵功率元件的AC-DC轉(zhuǎn)換器，效率可達(dá)到96%，甚至更高，所減少的功率耗損達(dá)50%，以數(shù)據(jù)中心平均用電量換算，相當(dāng)于節(jié)省了370億千瓦小時(shí)的電量，足以供應(yīng)40座超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心一年的電力需求。