算力升級(jí)對(duì)能耗要求提高，氮化鎵可能比碳化硅更合適？

Omdia 預(yù)測(cè)，隨著電動(dòng)汽車 (EV) 革命的到來，新型半導(dǎo)體將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，而功率半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年的傳統(tǒng)規(guī)范也將受到挑戰(zhàn)。AI 的興起是否會(huì)有類似的影響？

Omdia 半導(dǎo)體研究元件高級(jí)分析師 Callum Middleton 表示："對(duì)于長(zhǎng)期依賴于硅技術(shù)的行業(yè)，新材料制成的器件既能帶來挑戰(zhàn)，也能起到推動(dòng)作用。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率器件的開發(fā)始于上個(gè)世紀(jì)，但它們的技術(shù)成熟度順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，用新材料制造的器件為我們這個(gè)能源匱乏的世界帶來顯著的效率提升。"

特斯拉已于 2018 年首次採(cǎi)用多個(gè) SiC 裝置，該技術(shù)由此從實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試設(shè)計(jì)，躍升為主流。電動(dòng)車市場(chǎng)自此開始起飛，而這些技術(shù)帶來眾多充電速度和續(xù)航里程好處，採(cǎi)用這些技術(shù)的汽車制造商更與日俱增。

這一早期採(cǎi)用證實(shí) SiC 在現(xiàn)實(shí)世界的效能和可靠程度。而對(duì)于氮化鎵（GaN），手機(jī)和筆記本電腦充電器也取得了類似的效果。隨著 AI 的蓬勃發(fā)展，它將給我們的能源供應(yīng)和分配系統(tǒng)帶來額外的壓力。為了確保充分享受 AI 的好處，并確保以可持續(xù)的方式利用 AI，我們必須確保效率最大化，但這并不一定要以犧牲盈利能力為代價(jià)。在數(shù)據(jù)中心的電源中采用 SiC 或 GaN 解決方案可以顯著降低能耗，同時(shí)為額外的計(jì)算能力釋放空間。


效率需求推動(dòng)增長(zhǎng)

隨著各國(guó)努力實(shí)現(xiàn)能源安全，以及各行各業(yè)尋求提高能源效率和實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，提高效率的動(dòng)力將繼續(xù)存在。許多行業(yè)將面臨進(jìn)一步的壓力，要求將能源消耗降至最低。這其中就包括數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是能源密集型行業(yè)，隨著人工智能（AI）的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能源密集度可能會(huì)更高。

人工智能需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，而高性能數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)商則希望他們的設(shè)施能夠高效地運(yùn)行，這樣他們的能源成本和能源足跡就不會(huì)過多。電源是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，而寬禁帶半導(dǎo)體，特別是氮化鎵，可以幫助運(yùn)營(yíng)商在三個(gè)方面節(jié)省成本：能源損耗、數(shù)據(jù)中心的冷卻成本以及服務(wù)器所需的空間。

數(shù)據(jù)中心使用大量能源，但它們的工作電壓并不高，這意味著常用于筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體可能比針對(duì)電力傳輸和汽車等行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化的碳化硅（SiC）半導(dǎo)體具有更大的優(yōu)勢(shì)。

氮化鎵器件可在主服務(wù)器電源中更高效地運(yùn)行，從而減少數(shù)據(jù)中心的能量損耗。基于氮化鎵的解決方案可實(shí)現(xiàn)出色的導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度，從而大大降低能量損耗。這不僅降低了服務(wù)器機(jī)架的能源需求，還減少了對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的需求。

能源損耗和冷卻需求的減少意味著能耗的降低。功率半導(dǎo)體公司英飛凌正在投資氮化鎵技術(shù)，并于去年年底完成了對(duì)氮化鎵系統(tǒng)公司的收購(gòu)。英飛凌認(rèn)為，如果運(yùn)營(yíng)商將硅電源轉(zhuǎn)換為基于氮化鎵的電源裝置，數(shù)據(jù)中心的能耗可減少 10%。該公司還表示，如果所有數(shù)據(jù)中心都改用氮化鎵技術(shù)，每年可節(jié)省 20TWh 的能源。


數(shù)據(jù)中心對(duì)氮化鎵趨之若鶩

我們已經(jīng)在新能源汽車、快充等領(lǐng)域見證了氮化鎵的普及，但事實(shí)上，在服務(wù)器電源這種高端工業(yè)電源市場(chǎng)，這種對(duì)氮化鎵器件的追求也已經(jīng)露出跡象。這自然是出于對(duì)氮化鎵能效的看重，在PUE逐漸成為新數(shù)據(jù)中心建設(shè)、舊數(shù)據(jù)中心改建的硬性指標(biāo)后，如何提高能效成了最大的難題，

而在上述提到的氮化鎵一眾優(yōu)勢(shì)中，就給出了高能效這一優(yōu)勢(shì)。正如我們?cè)赑C電源上選購(gòu)常見的80 Plus鉑金、鈦金等方案一樣，數(shù)據(jù)中心同樣需要這類高能效的電源，只不過功率要更高一些，而且至少也都需要鉑金級(jí)的電源，這也意味著能效需要維持在90%以上。而基于氮化鎵的服務(wù)器電源在實(shí)現(xiàn)更高功率密度的同時(shí)，更容易做到鈦金級(jí)別的能效。

另外就是供電架構(gòu)發(fā)生的轉(zhuǎn)變，與汽車的48V系統(tǒng)一樣，數(shù)據(jù)中心也面臨著同樣的轉(zhuǎn)變，更低的I2R損耗能夠提升系統(tǒng)效率已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。但因?yàn)楦唠妷恨D(zhuǎn)換器過去反而會(huì)降低效率、提高成本和徒增尺寸的局限性，48V并沒有獲得普及。

可隨著氮化鎵這類第三代半導(dǎo)體的面世，以及有了一眾廠商為數(shù)據(jù)中心提出了48V DC/DC的方案，從而為全新的開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）48V配件架構(gòu)做好準(zhǔn)備。而且對(duì)于云服務(wù)廠商來說，48V DC/DC轉(zhuǎn)換器帶來的體積優(yōu)勢(shì)，將進(jìn)一步為數(shù)據(jù)中心降本增效提供便利。


展望未來：氮化鎵芯片的無限可能

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，預(yù)計(jì)氮化鎵器件和芯片將在未來得到更廣泛的應(yīng)用。目前的研究正在尋找提高氮化鎵性能的新方法，并開發(fā)其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，氮化鎵在太陽能電池中的應(yīng)用可能會(huì)提高太陽能利用的效率；在電力存儲(chǔ)設(shè)備中的應(yīng)用可能會(huì)提高電池的能量密度和壽命；在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用可能會(huì)提高設(shè)備的性能和安全性。

此外隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)氮化鎵在電力轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面的應(yīng)用可能會(huì)發(fā)揮重要作用其高效能和可靠性可以使電力網(wǎng)絡(luò)更加高效、可靠同時(shí)隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大氮化鎵在汽車電子設(shè)備中的應(yīng)用也可能會(huì)得到更廣泛的推廣。