千億規(guī)模AI數(shù)據(jù)中心，電感如何提高電源效率？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）得益于云計(jì)算、AI的需求，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)在近年持續(xù)高速擴(kuò)張。IDC和浪潮信息在2月推出的《2025年中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告》顯示，2024年全球人工智能服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模為1251億美元，2025年將增至1587億美元，2028年有望達(dá)到2227億美元。其中，生成式人工智能服務(wù)器占比將從2025年的29.6%提升至2028年的37.7%。

在數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長(zhǎng)的同時(shí)，也面臨著能源問題。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)帶來的是越來越高的功耗。單顆算力芯片的功耗，從過去的300W左右提升至如今的1000W，大功率AI芯片給數(shù)據(jù)中心帶來了更高的電源要求。

一方面，數(shù)據(jù)中心需要更加高效率的PSU（電源供應(yīng)單元），另一方面，在GPU等算力卡上同樣需要更強(qiáng)的供電設(shè)計(jì)。

那么為了提高PSU的能效，很多情況下可以選擇使用SiC、GaN等寬禁帶半導(dǎo)體功率器件，此前我們有多篇文章對(duì)高效率PSU方案進(jìn)行過介紹。除此之外，其實(shí)電感同樣是提高電源效率、增加負(fù)載能力的關(guān)鍵器件。

電感是被動(dòng)元件的一種，核心功能是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，并通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象對(duì)電路中的電流變化產(chǎn)生阻礙作用。

在結(jié)構(gòu)上，電感是由絕緣導(dǎo)線繞制而成的線圈，包裹鐵氧體、鐵粉芯等磁性材料組成，形狀可以是環(huán)形、柱狀、片式等，服務(wù)器中目前片式電感為主流。

基于法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，當(dāng)電流通過電感的線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)時(shí)候電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存；當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是反向電壓，同時(shí)釋放電能。于是電流發(fā)生突變時(shí)，電感就起到緩沖作用，能夠穩(wěn)定電壓。

舉個(gè)例子，在GPU計(jì)算卡的供電電路中，需要12V轉(zhuǎn)1V給GPU供電，由于電壓低且功率高，電流可以高達(dá)數(shù)百安培。當(dāng)GPU計(jì)算卡啟動(dòng)時(shí)，電流需求激增，那么對(duì)于電源而言有可能會(huì)導(dǎo)致電壓驟降，電感在GPU中則可以通過釋放存儲(chǔ)的能量，來避免電源電壓驟降，保證GPU的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)在GPU應(yīng)用中，還要求電感在高頻環(huán)境下保持低發(fā)熱，避免因溫升導(dǎo)致性能下降。

除了在GPU上，電感在數(shù)據(jù)中心內(nèi)還廣泛應(yīng)用于電源部分，比如在PSU的DC-DC部分，電感通過儲(chǔ)能和釋能穩(wěn)定電壓，保障服務(wù)器、GPU等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

在光模塊中，電感能夠?yàn)V除高頻電路中的電磁干擾（EMI），提升信號(hào)傳輸質(zhì)量，尤其在高速光模塊上更為關(guān)鍵。

隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，電感當(dāng)前有三大主要的發(fā)展方向。首先是AI數(shù)據(jù)中心算力硬件的功率不斷提高，需要電感在服務(wù)器機(jī)架的有限空間中，承載更大功率，并且要提高耐高溫能力，在高溫下保持穩(wěn)定性。

二是高頻化和低損耗，數(shù)據(jù)中心的PSU中越來越多地使用到GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體器件，這些高頻器件也需要電感支持更高的工作頻率，同時(shí)降低磁芯損耗，提高整體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

三是小型化和集成化，AI數(shù)據(jù)中心中，服務(wù)器、AI加速卡都趨向于在有限空間內(nèi)集成更多計(jì)算單元，對(duì)于包括電感在內(nèi)的元器件都有小型化的需求，目前應(yīng)用于服務(wù)器的貼片電感尺寸已經(jīng)縮小至毫米級(jí)。與此同時(shí)，電感體積縮小，還要提高功率密度，于是集成化就成為趨勢(shì)，比如DrMOS將電感、電容、MOSFET等集成到一個(gè)電源模塊封裝內(nèi)。

隨著數(shù)據(jù)中心算力密度持續(xù)攀升，電感將進(jìn)一步向集成化（嵌入基板）與功能融合化（與IC協(xié)同設(shè)計(jì)）演進(jìn)，成為支撐下一代高能效電子設(shè)備的核心基石。