AI数据中心的能源危机，需要更高效的PSU

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）数据中心在近年AI的浪潮中得到极大的发展，算力需求的膨胀带动全球数据中心建设规模呈现爆发式增长。而在数据中心数量增长的同时，也面临着能源问题。

如今大模型等AI应用对算力的需求，推动了AI芯片算力不断提高，与此同时带来的是越来越高的功耗。单颗算力芯片的功耗，从过去的300W左右提升至如今的1000W，大功率AI芯片给数据中心带来了更高的电源要求。

所以在英伟达等厂商在积极提高AI芯片算力的同时，另一方面也需要在数据中心PSU（电源供应单元）方面进行升级，以应对越来越高的系统功耗。

数据中心能耗效率成优化重点

根据不完全统计，目前全球范围内，正在建设以及处于规划阶段的数据中心就已经有超过7000个，是2015年的2倍。如此大规模的数据中心，实际上已经占到全球电力总消耗的1%以上。

要如何提高数据中心的能源使用效率，降低能耗，首先要看数据中心的能耗结构。数据中心的能耗主要来自几大部分，一是核心的计算部分，包括主板上的CPU、加速卡、存储等各种器件；二是为机房提供恒温恒湿的精密空调，以及机柜上的各种散热风扇；三是供配电系统，包括机柜内的电源PSU、配电柜、不间断电源UPS等。

当然，在AI加速卡上，芯片可以通过制程工艺以及架构的改进，提高能耗比，用相同的能耗做到更高的算力。而另一方面，数据中心的配电系统，包括PSU等，同样是能耗浪费的重灾区。

因为处理一个AI应用请求，能量需要经过四次转换，可能导致约12%的能量损耗。这与数据中心电源的功率转换效率较为相关，比如目前80Plus白金标准的服务器电源，在20%轻载和满载下的额定输出时的转换效率达到89%以上，50%典型负载下达到92%。

不过面对功率更大的AI算力卡需求，PSU需要在尽可能小的体积内，提高功率输出能力，同时提高转换效率。

采用第三代半导体的服务器PSU方案

由于更高的功率密度、更高的转换效率需求，使得碳化硅、氮化镓等第三代半导体器件有充足的推动力进入数据中心电源领域。传统硅基半导体由于自身物理性质受限 ，不适合在高温、高压、高频、高功率等领域使用，于是砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体也因此应运而生。

以碳化硅为例，其耐高压能力是硅的10倍、耐高温能力是硅的2倍、高频能力是硅的2倍。与硅基模块相比，碳化硅二极管及开关管组成的模块（全碳模块），不仅具有碳化硅材料本征特性优势，在应用时还可以缩小模块体积50%以上、消减电子转换损耗80%以上。在系统设计中可以简化散热系统，降低热预算，同时减小电容电感体积，从而降低系统综合成本。

所以近年来，功率半导体厂商都陆续推出基于碳化硅或氮化镓器件的一些数据中心PSU方案。

比如英飞凌此前公布的AI数据中心PSU产品路线图，英飞凌在高功率的PSU中趋向使用混合开关的方案，即同时采用硅、SiC、GaN等功率开关管。

其中3kW的PSU方案中，英飞凌采用coolSiC MOSFET 650V和600V cool MOS 超结MOS器件，以及CoolSiC的无桥图腾柱PFC，集成CoolMOS和OptiMOS的半桥LLC，可以达到97.5%的峰值效率。

在3kW以上，从3.3kW到未来的12kW，英飞凌就使用硅、SiC、GaN开关的混合方案，采用CoolSiC、CoolGaN、CoolMOS、OptiMOS和实现最高效率和功率密度的技术，基准效率为97.5%，功率密度达到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器件的数据中心电源解决方案。EliteSiC 650V MOSFET提供了卓越的开关性能和更低的器件电容，可在数据中心和储能系统中实现更高的效率。

与上一代产品相比，新一代碳化硅MOSFET的栅极电荷减半，并且将储存在输出电容(Eoss)和输出电荷(Qoss)中的能量均减少了44%。与超级结MOSFET相比，它们在关断时没有拖尾电流，在高温下性能优越，能显著降低开关损耗。采用该方案，安森美宣称数据中心能够减少约1%的电力损耗。

纳微半导体近期也推出了一款新的4.5kW AI数据中心电源参考设计，同样是采用了氮化镓和碳化硅器件，包括优化的GaNSafe™和Gen-3“Fast”（G3F） SiC功率组件，利用SiC的交错式连续导通模式（CCM）图腾柱功率因数校正 （PFC），并结合采用GaN的全桥LLC拓扑。

这种设计结合了不同器件的优势，在CCM TP-PFC中采用SiC，在300kHz LLC中采用GaN，能够实现137W/in³ 的功率密度和超过97%的效率。

英诺赛科去年推出了一款2kW PSU服务器电源方案，符合80 Plus钛金级，采用图腾柱无桥PFC+LLC结构，前端为AC-DC无桥图腾柱PFC，后端为DC-DC隔离全桥LLC转换器。PFC 慢桥臂采用2颗INN650TA030AH（650V/30mΩ），PFC快桥臂采用2颗INN650TA070AH（650V/70mΩ），LLC桥臂采用4颗INN650D080BS（650V/80mΩ）。

该电源方案峰值效率高达96.5%，最高功率密度达76W/in3。

小结：

数据中心PSU已经成为各大功率半导体厂商的重点关注市场，而随着AI数据中心需求，第三代半导体导入正在持续加速。