AI數(shù)據(jù)中心的能源危機(jī)，需要更高效的PSU

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）數(shù)據(jù)中心在近年AI的浪潮中得到極大的發(fā)展，算力需求的膨脹帶動(dòng)全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。而在數(shù)據(jù)中心數(shù)量增長(zhǎng)的同時(shí)，也面臨著能源問(wèn)題。

如今大模型等AI應(yīng)用對(duì)算力的需求，推動(dòng)了AI芯片算力不斷提高，與此同時(shí)帶來(lái)的是越來(lái)越高的功耗。單顆算力芯片的功耗，從過(guò)去的300W左右提升至如今的1000W，大功率AI芯片給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了更高的電源要求。

所以在英偉達(dá)等廠商在積極提高AI芯片算力的同時(shí)，另一方面也需要在數(shù)據(jù)中心PSU（電源供應(yīng)單元）方面進(jìn)行升級(jí)，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越高的系統(tǒng)功耗。

數(shù)據(jù)中心能耗效率成優(yōu)化重點(diǎn)

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球范圍內(nèi)，正在建設(shè)以及處于規(guī)劃階段的數(shù)據(jù)中心就已經(jīng)有超過(guò)7000個(gè)，是2015年的2倍。如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，實(shí)際上已經(jīng)占到全球電力總消耗的1%以上。

要如何提高數(shù)據(jù)中心的能源使用效率，降低能耗，首先要看數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心的能耗主要來(lái)自幾大部分，一是核心的計(jì)算部分，包括主板上的CPU、加速卡、存儲(chǔ)等各種器件；二是為機(jī)房提供恒溫恒濕的精密空調(diào)，以及機(jī)柜上的各種散熱風(fēng)扇；三是供配電系統(tǒng)，包括機(jī)柜內(nèi)的電源PSU、配電柜、不間斷電源UPS等。

當(dāng)然，在AI加速卡上，芯片可以通過(guò)制程工藝以及架構(gòu)的改進(jìn)，提高能耗比，用相同的能耗做到更高的算力。而另一方面，數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)，包括PSU等，同樣是能耗浪費(fèi)的重災(zāi)區(qū)。

因?yàn)樘幚硪粋€(gè)AI應(yīng)用請(qǐng)求，能量需要經(jīng)過(guò)四次轉(zhuǎn)換，可能導(dǎo)致約12%的能量損耗。這與數(shù)據(jù)中心電源的功率轉(zhuǎn)換效率較為相關(guān)，比如目前80Plus白金標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器電源，在20%輕載和滿載下的額定輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到89%以上，50%典型負(fù)載下達(dá)到92%。

不過(guò)面對(duì)功率更大的AI算力卡需求，PSU需要在盡可能小的體積內(nèi)，提高功率輸出能力，同時(shí)提高轉(zhuǎn)換效率。

采用第三代半導(dǎo)體的服務(wù)器PSU方案

由于更高的功率密度、更高的轉(zhuǎn)換效率需求，使得碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體器件有充足的推動(dòng)力進(jìn)入數(shù)據(jù)中心電源領(lǐng)域。傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體由于自身物理性質(zhì)受限 ，不適合在高溫、高壓、高頻、高功率等領(lǐng)域使用，于是砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體也因此應(yīng)運(yùn)而生。

以碳化硅為例，其耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍。與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開(kāi)關(guān)管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用時(shí)還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以簡(jiǎn)化散熱系統(tǒng)，降低熱預(yù)算，同時(shí)減小電容電感體積，從而降低系統(tǒng)綜合成本。

所以近年來(lái)，功率半導(dǎo)體廠商都陸續(xù)推出基于碳化硅或氮化鎵器件的一些數(shù)據(jù)中心PSU方案。

比如英飛凌此前公布的AI數(shù)據(jù)中心PSU產(chǎn)品路線圖，英飛凌在高功率的PSU中趨向使用混合開(kāi)關(guān)的方案，即同時(shí)采用硅、SiC、GaN等功率開(kāi)關(guān)管。

其中3kW的PSU方案中，英飛凌采用coolSiC MOSFET 650V和600V cool MOS 超結(jié)MOS器件，以及CoolSiC的無(wú)橋圖騰柱PFC，集成CoolMOS和OptiMOS的半橋LLC，可以達(dá)到97.5%的峰值效率。

在3kW以上，從3.3kW到未來(lái)的12kW，英飛凌就使用硅、SiC、GaN開(kāi)關(guān)的混合方案，采用CoolSiC、CoolGaN、CoolMOS、OptiMOS和實(shí)現(xiàn)最高效率和功率密度的技術(shù)，基準(zhǔn)效率為97.5%，功率密度達(dá)到95W每英寸立方。

今年6月安森美推出了基于T10 PowerTrench系列和EliteSiC 650V器件的數(shù)據(jù)中心電源解決方案。EliteSiC 650V MOSFET提供了卓越的開(kāi)關(guān)性能和更低的器件電容，可在數(shù)據(jù)中心和儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的效率。

與上一代產(chǎn)品相比，新一代碳化硅MOSFET的柵極電荷減半，并且將儲(chǔ)存在輸出電容(Eoss)和輸出電荷(Qoss)中的能量均減少了44%。與超級(jí)結(jié)MOSFET相比，它們?cè)陉P(guān)斷時(shí)沒(méi)有拖尾電流，在高溫下性能優(yōu)越，能顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。采用該方案，安森美宣稱數(shù)據(jù)中心能夠減少約1%的電力損耗。

納微半導(dǎo)體近期也推出了一款新的4.5kW AI數(shù)據(jù)中心電源參考設(shè)計(jì)，同樣是采用了氮化鎵和碳化硅器件，包括優(yōu)化的GaNSafe?和Gen-3“Fast”（G3F） SiC功率組件，利用SiC的交錯(cuò)式連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC），并結(jié)合采用GaN的全橋LLC拓?fù)洹?br />
這種設(shè)計(jì)結(jié)合了不同器件的優(yōu)勢(shì)，在CCM TP-PFC中采用SiC，在300kHz LLC中采用GaN，能夠?qū)崿F(xiàn)137W/in3 的功率密度和超過(guò)97%的效率。

英諾賽科去年推出了一款2kW PSU服務(wù)器電源方案，符合80 Plus鈦金級(jí)，采用圖騰柱無(wú)橋PFC+LLC結(jié)構(gòu)，前端為AC-DC無(wú)橋圖騰柱PFC，后端為DC-DC隔離全橋LLC轉(zhuǎn)換器。PFC 慢橋臂采用2顆INN650TA030AH（650V/30mΩ），PFC快橋臂采用2顆INN650TA070AH（650V/70mΩ），LLC橋臂采用4顆INN650D080BS（650V/80mΩ）。

該電源方案峰值效率高達(dá)96.5%，最高功率密度達(dá)76W/in3。

小結(jié)：

數(shù)據(jù)中心PSU已經(jīng)成為各大功率半導(dǎo)體廠商的重點(diǎn)關(guān)注市場(chǎng)，而隨著AI數(shù)據(jù)中心需求，第三代半導(dǎo)體導(dǎo)入正在持續(xù)加速。