服務(wù)器電源向10kW進(jìn)發(fā)，三代半或是唯一出路

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）人工智能算力的激增，不只是為計(jì)算硬件帶來(lái)了部署上的壓力，也為數(shù)據(jù)中心的供電帶來(lái)了不可小覷的挑戰(zhàn)。依照目前的算力提升速度而言，如果不對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，尤其是在PSU電源上，那么先進(jìn)封裝和高帶寬內(nèi)存的短缺可能不是我們最先面臨的難題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年全球服務(wù)器電源市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到316億元，其中來(lái)自中國(guó)市場(chǎng)的規(guī)模也將達(dá)到91億元。在設(shè)計(jì)方案中，目前硅方案依然占據(jù)主導(dǎo)，可隨著新建/改建的數(shù)據(jù)中心里，單個(gè)機(jī)架的功耗直線(xiàn)上升，以6U的AI服務(wù)器為例，單機(jī)架的平均功率就達(dá)到了10.5kW，年耗電量約等于百人的生活用電，改換新的服務(wù)器電源設(shè)計(jì)方案已經(jīng)迫在眉睫。

服務(wù)器電源中的第三代半導(dǎo)體

與汽車(chē)這一本身空間存在限制的應(yīng)用，采用氮化鎵或碳化硅之類(lèi)的第三代半導(dǎo)體，增加密度降低空間占用，支持到更大功率是很合理的設(shè)計(jì)選擇。然而，在大多數(shù)人眼中，一排排機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心里，服務(wù)器電源的設(shè)計(jì)靈活性應(yīng)該要大很多才對(duì)。

然而，由于電源架構(gòu)演進(jìn)、節(jié)能減排、服務(wù)器新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，以及單個(gè)機(jī)架服務(wù)器功耗的進(jìn)一步升高，單個(gè)分立電源模塊已經(jīng)普遍高于1kW，整個(gè)行業(yè)都在朝著更高的功率密度進(jìn)發(fā)，所以才有了第三代半導(dǎo)體在服務(wù)器電源上的落地機(jī)會(huì)。

鑒于寬帶隙的特性，氮化鎵可以在高電壓和高頻率應(yīng)用中，依然保持較低的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗從而進(jìn)一步提升能源效率，氮化鎵模塊的電源效率普遍高達(dá)94%。此外在不少頭部氮化鎵廠商的努力下，已經(jīng)有一批氮化鎵服務(wù)器電源可以做到80Plus鈦金級(jí)。

由于具備更高的擊穿電場(chǎng)和飽和速度，氮化鎵可以支持更高的功率密度，市面上已有一部分氮化鎵功率模塊可以做到90W/in³以上的功率密度，氮化鎵服務(wù)器電源更是在支持到3kW的功率的同時(shí)，降低了分立電源模塊的物理尺寸。

從目前市面已有的氮化鎵服務(wù)器電源來(lái)看，主要面向最高3kW左右的數(shù)據(jù)中心供電，以華為的3000W功率氮化鎵服務(wù)器電源為例，就是基于英飛凌的氮化鎵開(kāi)關(guān)管設(shè)計(jì)。這是因?yàn)殡S著OCP 3.0、ORV等公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，對(duì)高功率密度、有效低成本的熱管理等機(jī)架設(shè)計(jì)提出了要求。

事實(shí)上，隨著AI服務(wù)器對(duì)于供電的要求進(jìn)一步提高，3kW的系統(tǒng)功率也很快會(huì)成為過(guò)去式。以英偉達(dá)最新發(fā)布的B200 AI GPU為例，其滿(mǎn)載功耗就達(dá)到了1200W，DGX B200這種8 GPU硬件平臺(tái)，功耗更是高達(dá)14.3kW。

碳化硅由于成本還未降低至與氮化鎵或硅器件同一水平，目前在服務(wù)器電源上的應(yīng)用主要還是在中大功率的模塊化UPS上，這與材料本身的特性不無(wú)關(guān)系。在帶隙寬度上，氮化鎵和碳化硅的差距并不大，但在擊穿電壓上，碳化硅的1700V擊穿電壓遠(yuǎn)大于氮化鎵的650V。

英飛凌更是在最近推出了擊穿電壓高達(dá)2000V的碳化硅分立器件，為UPS提供了更高的過(guò)壓裕量，所以使得碳化硅UPS模塊擁有更高的耐壓等級(jí)。加之更高的開(kāi)關(guān)速度，對(duì)于UPS這類(lèi)產(chǎn)品而言，可以有效提高電源效率和系統(tǒng)成本。

3kW已經(jīng)不再是上限

面對(duì)GPU集群這樣的電力猛獸，即便是現(xiàn)有的氮化鎵電源方案也已經(jīng)有些吃力了，更何況數(shù)據(jù)中心PUE的指標(biāo)沒(méi)有改變，所以欲基于最先進(jìn)的加速器硬件打造AI智算中心，勢(shì)必要尋找新的解決方案，追求更高的功率密度。

納微半導(dǎo)體就在去年推出了一款基于OCP CRPS規(guī)格的CPRS185 3200W功率，其功率密度可以做到100W/In³，與等效的硅方案相比，更是將體積縮小了40%。更重要的是，CPRS185在20%到60%的負(fù)載區(qū)間內(nèi)，效率超過(guò)了96%，甚至超越了80PLUS的鈦金標(biāo)準(zhǔn)。

可即便是3200W的功率，也很難滿(mǎn)足未來(lái)AI服務(wù)器的供電要求。根據(jù)預(yù)測(cè)，隨著B(niǎo)200、B100、MI 300X等加速器的出貨，未來(lái)一年時(shí)間內(nèi)，人工智能數(shù)據(jù)中心的電源功率需求可能會(huì)有最高3倍的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。針對(duì)指數(shù)級(jí)上漲的服務(wù)器電源供電功率要求，納微半導(dǎo)體于今年發(fā)布了最新的產(chǎn)品路線(xiàn)圖，也為碳化硅在服務(wù)器電源找到了新的市場(chǎng)機(jī)遇。

在2到4kW的范圍內(nèi)，基于無(wú)橋PFC的設(shè)計(jì)，氮化鎵和碳化硅都可以滿(mǎn)足服務(wù)器電源的需求，且氮化鎵還占據(jù)成本優(yōu)勢(shì)。然而在超過(guò)4kW以上的功耗時(shí)，氮化鎵的高傳導(dǎo)損耗就已經(jīng)對(duì)其散熱設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)了。在這個(gè)功率范圍的電源效率上，兩者在半載時(shí)的效率相近，但在滿(mǎn)載時(shí)的效率碳化硅可以做得更高。

正因如此，納微半導(dǎo)體計(jì)劃于今年發(fā)布一款全新的4.5kW電源平臺(tái)，同時(shí)利用了氮化鎵和碳化硅技術(shù)，把功率密度推至135W/in³以上，并維持97%以上的電源效率。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，該方案拋棄了標(biāo)準(zhǔn)的四二極管橋式電路設(shè)計(jì)，改用了一個(gè)碳化硅半橋+氮化鎵半橋的方案。

不僅如此，納微半導(dǎo)體還宣布在今年底推出一款支持8-10kW的服務(wù)器電源平臺(tái)，用于應(yīng)對(duì)明年的AI系統(tǒng)功率要求。納微半導(dǎo)體表示，該平臺(tái)將利用更新的氮化鎵和碳化硅技術(shù)，并在架構(gòu)上進(jìn)一步延伸。可以看出，基于新一代AI硬件打造的服務(wù)器，已經(jīng)在推動(dòng)第三代半導(dǎo)體廠商加快產(chǎn)品迭代速度，為的就是搶占市場(chǎng)先機(jī)。

至于集成碳化硅器件帶來(lái)的成本問(wèn)題，在AI服務(wù)器的高造價(jià)面前可能并不算什么。以英偉達(dá)的GB200為例，據(jù)分析，基于GB200打造的AI服務(wù)器系統(tǒng)單個(gè)造價(jià)在2到3百萬(wàn)美元之間。

寫(xiě)在最后

隨著各種基于云端的人工智能應(yīng)用飛速落地，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)面臨著巨大的電力挑戰(zhàn)，基于第三代半導(dǎo)體方案的服務(wù)器電源不僅解決了高功率供電的問(wèn)題，也進(jìn)一步節(jié)省了系統(tǒng)成本和電費(fèi)成本。盡管目前Si方案依然占據(jù)主流，相信隨著全球第三代半導(dǎo)體廠商進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)降低設(shè)計(jì)成本的情況下，服務(wù)器廠商會(huì)加快第三代半導(dǎo)體服務(wù)器電源的迭代速度。