服務(wù)器電源向10kW進發(fā)，三代半或是唯一出路

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/周凱揚）人工智能算力的激增，不只是為計算硬件帶來了部署上的壓力，也為數(shù)據(jù)中心的供電帶來了不可小覷的挑戰(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)計機構(gòu)預(yù)測，2025年全球服務(wù)器電源市場規(guī)模將達到316億元，其中來自中國市場的規(guī)模也將達到91億元。在設(shè)計方案中，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，單個機架的功耗直線上升，以6U的AI服務(wù)器為例，單機架的平均功率就達到了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)計選擇。然而，在大多數(shù)人眼中，一排排機柜的數(shù)據(jù)中心里，服務(wù)器電源的設(shè)計靈活性應(yīng)該要大很多才對。

然而，由于電源架構(gòu)演進、節(jié)能減排、服務(wù)器新標準的發(fā)布，以及單個機架服務(wù)器功耗的進一步升高，單個分立電源模塊已經(jīng)普遍高于1kW，整個行業(yè)都在朝著更高的功率密度進發(fā)，所以才有了第三代半導(dǎo)體在服務(wù)器電源上的落地機會。

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)通電阻和開關(guān)損耗從而進一步提升能源效率，氮化鎵模塊的電源效率普遍高達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。

由于具備更高的擊穿電場和飽和速度，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，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關(guān)管設(shè)計。這是因為隨著OCP 3.0、ORV等公開標準的發(fā)布，對高功率密度、有效低成本的熱管理等機架設(shè)計提出了要求。

事實上，隨著AI服務(wù)器對于供電的要求進一步提高，3kW的系統(tǒng)功率也很快會成為過去式。以英偉達最新發(fā)布的B200 AI GPU為例，其滿載功耗就達到了1200W，DGX B200這種8 GPU硬件平臺，功耗更是高達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擊穿電壓遠大于氮化鎵的650V。

英飛凌更是在最近推出了擊穿電壓高達2000V的碳化硅分立器件，為UPS提供了更高的過壓裕量，所以使得碳化硅UPS模塊擁有更高的耐壓等級。加之更高的開關(guān)速度，對于UPS這類產(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的指標沒有改變，所以欲基于最先進的加速器硬件打造AI智算中心，勢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%的負載區(qū)間內(nèi)，效率超過了96%，甚至超越了80PLUS的鈦金標準。

可即便是3200W的功率，也很難滿足未來AI服務(wù)器的供電要求。根據(jù)預(yù)測，隨著B200、B100、MI 300X等加速器的出貨，未來一年時間內(nèi)，人工智能數(shù)據(jù)中心的電源功率需求可能會有最高3倍的指數(shù)級增長。針對指數(shù)級上漲的服務(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)品路線圖，也為碳化硅在服務(wù)器電源找到了新的市場機遇。

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

正因如此，納微半導(dǎo)體計劃于今年發(fā)布一款全新的4.5kW電源平臺，同時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。從拓撲結(jié)構(gòu)上看，該方案拋棄了標準的四二極管橋式電路設(shè)計，改用了一個碳化硅半橋+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，用于應(yīng)對明年的AI系統(tǒng)功率要求。納微半導(dǎo)體表示，該平臺將利用更新的氮化鎵和碳化硅技術(shù)，并在架構(gòu)上進一步延伸?？梢钥闯?，基于新一代AI硬件打造的服務(wù)器，已經(jīng)在推動第三代半導(dǎo)體廠商加快產(chǎn)品迭代速度，為的就是搶占市場先機。

至于集成碳化硅器件帶來的成本問題，在AI服務(wù)器的高造價面前可能并不算什么。以英偉達的GB200為例，據(jù)分析，基于GB200打造的AI服務(wù)器系統(tǒng)單個造價在2到3百萬美元之間。

寫在最后

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題，也進一步節(jié)省了系統(tǒng)成本和電費成本。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)體廠商進一步擴產(chǎn)降低設(shè)計成本的情況下，服務(wù)器廠商會加快第三代半導(dǎo)體服務(wù)器電源的迭代速度。