電子發燒友網報道（文/梁浩斌）數據中心在近年AI的浪潮中得到極大的發展，算力需求的膨脹帶動全球數據中心建設規模呈現爆發式增長。而在數據中心數量增長的同時，也面臨著能源問題。

如今大模型等AI應用對算力的需求，推動了AI芯片算力不斷提高，與此同時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芯片給數據中心帶來了更高的電源要求。

所以在英偉達等廠商在積極提高AI芯片算力的同時，另一方面也需要在數據中心PSU（電源供應單元）方面進行升級，以應對越來越高的系統功耗。

數據中心能耗效率成優化重點

根據不完全統計，目前全球范圍內，正在建設以及處于規劃階段的數據中心就已經有超過7000個，是2015年的2倍。如此大規模的數據中心，實際上已經占到全球電力總消耗的1%以上。

要如何提高數據中心的能源使用效率，降低能耗，首先要看數據中心的能耗結構。數據中心的能耗主要來自幾大部分，一是核心的計算部分，包括主板上的CPU、加速卡、存儲等各種器件；二是為機房提供恒溫恒濕的精密空調，以及機柜上的各種散熱風扇；三是供配電系統，包括機柜內的電源PSU、配電柜、不間斷電源UPS等。

當然，在AI加速卡上，芯片可以通過制程工藝以及架構的改進，提高能耗比，用相同的能耗做到更高的算力。而另一方面，數據中心的配電系統，包括PSU等，同樣是能耗浪費的重災區。

因為處理一個AI應用請求，能量需要經過四次轉換，可能導致約12%的能量損耗。這與數據中心電源的功率轉換效率較為相關，比如目前80Plus白金標準的服務器電源，在20%輕載和滿載下的額定輸出時的轉換效率達到89%以上，50%典型負載下達到92%。

不過面對功率更大的AI算力卡需求，PSU需要在盡可能小的體積內，提高功率輸出能力，同時提高轉換效率。

采用第三代半導體的服務器PSU方案

由于更高的功率密度、更高的轉換效率需求，使得碳化硅、氮化鎵等第三代半導體器件有充足的推動力進入數據中心電源領域。傳統硅基半導體由于自身物理性質受限 ，不適合在高溫、高壓、高頻、高功率等領域使用，于是砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導體也因此應運而生。

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，碳化硅二極管及開關管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性優勢，在應用時還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉換損耗80%以上。在系統設計中可以簡化散熱系統，降低熱預算，同時減小電容電感體積，從而降低系統綜合成本。

所以近年來，功率半導體廠商都陸續推出基于碳化硅或氮化鎵器件的一些數據中心PSU方案。

比如英飛凌此前公布的AI數據中心PSU產品路線圖，英飛凌在高功率的PSU中趨向使用混合開關的方案，即同時采用硅、SiC、GaN等功率開關管。

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

在3kW以上，從3.3kW到未來的12kW，英飛凌就使用硅、SiC、GaN開關的混合方案，采用CoolSiC、CoolGaN、CoolMOS、OptiMOS和實現最高效率和功率密度的技術，基準效率為97.5%，功率密度達到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器件的數據中心電源解決方案。EliteSiC 650V MOSFET提供了卓越的開關性能和更低的器件電容，可在數據中心和儲能系統中實現更高的效率。

與上一代產品相比，新一代碳化硅MOSFET的柵極電荷減半，并且將儲存在輸出電容(Eoss)和輸出電荷(Qoss)中的能量均減少了44%。與超級結MOSFET相比，它們在關斷時沒有拖尾電流，在高溫下性能優越，能顯著降低開關損耗。采用該方案，安森美宣稱數據中心能夠減少約1%的電力損耗。

納微半導體近期也推出了一款新的4.5kW AI數據中心電源參考設計，同樣是采用了氮化鎵和碳化硅器件，包括優化的GaNSafe?和Gen-3“Fast”（G3F） SiC功率組件，利用SiC的交錯式連續導通模式（CCM）圖騰柱功率因數校正 （PFC），并結合采用GaN的全橋LLC拓撲。

這種設計結合了不同器件的優勢，在CCM TP-PFC中采用SiC，在300kHz LLC中采用GaN，能夠實現137W/in3 的功率密度和超過97%的效率。

英諾賽科去年推出了一款2kW PSU服務器電源方案，符合80 Plus鈦金級，采用圖騰柱無橋PFC+LLC結構，前端為AC-DC無橋圖騰柱PFC，后端為DC-DC隔離全橋LLC轉換器。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96.5%，最高功率密度達76W/in3。

小結：

數據中心PSU已經成為各大功率半導體廠商的重點關注市場，而隨著AI數據中心需求，第三代半導體導入正在持續加速。