每當(dāng)我們觀看最新電影，與 AI 語(yǔ)音助手交談，或者在家使用筆記本電腦參加商務(wù)會(huì)議時(shí)，我們都會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)中心推送大量數(shù)字信息，并使用耗電量超大的資源，而且這方面的使用量有增無(wú)減。

2022 年，全世界共創(chuàng)建并使用了近 100ZB（100 萬(wàn)億 GB）的數(shù)據(jù)。到 2025 年，這片浩瀚無(wú)邊的比特海洋預(yù)計(jì)幾乎翻一番。而且這些數(shù)據(jù)日益通過(guò)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)行，每個(gè)數(shù)據(jù)中心都塞滿了數(shù)千臺(tái)服務(wù)器。

美國(guó)政府在 2018 年，也就是最后一年進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，估計(jì)數(shù)據(jù)中心的能源需求為每年 70 太瓦時(shí)。自那以后，僅區(qū)塊鏈挖礦的增長(zhǎng)就使能源需求數(shù)據(jù)翻了一倍多。美國(guó)數(shù)據(jù)中心能源效率專業(yè)知識(shí)中心 (Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers) 稱，目前數(shù)據(jù)中心的耗電量可能至少占美國(guó)總耗電量的 2%。這足以對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，也使實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心更可持續(xù)運(yùn)行的目標(biāo)更加緊迫。

Robert Taylor 是 TI 的一名系統(tǒng)經(jīng)理，專門從事工業(yè)電源管理。他表示，為了處理爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器不斷發(fā)展，每臺(tái)服務(wù)器的耗電量也在不斷增加：前幾年平均每臺(tái)服務(wù)器為 1,500 瓦，較新的服務(wù)器增加到了平均 3,000 瓦每臺(tái)。

提高功率密度，進(jìn)而提高服務(wù)器電源單元 (PSU) 的效率，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心更高效運(yùn)行的一種方式。

Robert 認(rèn)為，升級(jí)服務(wù)器 PSU 的緊迫性更高。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的電力需求正遭遇瓶頸：大多數(shù)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心無(wú)法提供超過(guò) 50 兆瓦的電力。

“由于這些數(shù)據(jù)中心的總電量有限，數(shù)據(jù)中心需要將盡可能少的電用在冷卻和因電子設(shè)備低效而造成的損耗上，”Robert 表示。

同時(shí)，他也表示，服務(wù)器行業(yè)正在追求更小的印刷電路板占用空間，以便提高每個(gè)機(jī)架的算力。這意味著服務(wù)器中的功率元件必須變得更小、更高效，而且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量。

TI 在生產(chǎn)創(chuàng)新的半導(dǎo)體電源產(chǎn)品方面處于領(lǐng)先地位，能夠滿足當(dāng)前和未來(lái)幾代前沿?cái)?shù)據(jù)中心所需的超高性能、效率和熱管理需求。即便是超大規(guī)的模數(shù)據(jù)中心，最終產(chǎn)生的電能也能以更可持續(xù)的方式幫助它們平穩(wěn)運(yùn)行。

處理更高的功率和溫度

半導(dǎo)體電源高性能、高能效的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度，也就是能在更小的體積中提供更高的功率處理能力。但更高的功率密度也會(huì)在較小的體積中產(chǎn)生更多熱量，這就需要先進(jìn)的熱管理技術(shù)來(lái)維持性能和保護(hù)元件。

并不是只有數(shù)據(jù)中心需要更高的功率密度。電網(wǎng)、通信設(shè)備、電動(dòng)汽車和個(gè)人電子產(chǎn)品的電子系統(tǒng)也需要由密度更大、熱效率更高的電源芯片提供的性能和效率。

使用高效封裝減少產(chǎn)熱量

TI 正加快攻克挑戰(zhàn)，為服務(wù)器電源芯片提供更高的功率密度。帶有集成開(kāi)關(guān)的小外形晶體管 (SOT) 封裝可提高功率密度和性能，同時(shí)降低成本。

如果沒(méi)有創(chuàng)新的熱管理方法，就不可能取得這樣的進(jìn)步。為了優(yōu)化熱性能并突破芯片級(jí)功率密度限制，我們主要關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：工藝技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)和熱優(yōu)化封裝。

服務(wù)器中產(chǎn)生的許多熱量來(lái)自功率損耗，這種損耗是由于將輸入的 400V 交流電轉(zhuǎn)換為 6V 或更低的直流電所致。諸如 TLVM13630電源模塊之類的產(chǎn)品使用我們具有集成式場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的增強(qiáng)型 Hotrod 四方扁平無(wú)引線 (QFN) 封裝技術(shù)，可提供快捷的開(kāi)關(guān)速度和更低的電阻，從而大幅降低上述功率損耗、提高芯片效率，進(jìn)而減少散熱。

“器件中的任何電阻都會(huì)拉低效率，既浪費(fèi)了電力又產(chǎn)生了額外的熱量”，TI 的 QFN 和 SOT 封裝開(kāi)發(fā)部總監(jiān) Les Stark 說(shuō)。

為進(jìn)一步減少產(chǎn)生額外熱量的功率損耗，TI 將充分利用業(yè)界卓越的功能，例如將 FET 和電容器等更多元件集成到電源芯片中。與具有超低導(dǎo)通電阻的 TPS25985 電子保險(xiǎn)絲一樣，這種集成使開(kāi)關(guān)速度更快且更高效，并減少了噪聲，能夠在實(shí)現(xiàn)高達(dá) 80A 電流的同時(shí)提供更出色的熱性能。在某些情況下，TI 通過(guò)在芯片上進(jìn)行元件三維堆疊，實(shí)現(xiàn)了更高的集成度。

利用熱增強(qiáng)型封裝有效散熱

TI 還率先通過(guò)創(chuàng)新的器件封裝為芯片散熱。例如，TI 開(kāi)創(chuàng)了使用倒裝芯片式封裝將芯片表面及其連接器直接連接至電路板、而不是依靠鍵合線將信號(hào)送入和送出芯片的 HotRod 和增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝。這種更直接的連接可以高效地將熱量從芯片轉(zhuǎn)移到電路板上。

“這種封裝設(shè)計(jì)提供了以前認(rèn)為不可能的大接地焊盤(pán)，從而在器件到印刷電路板之間形成了良好的散熱路徑，”Les 說(shuō)。

TI 其他先進(jìn)的散熱方法包括通過(guò)更有效的散熱器放置，實(shí)現(xiàn)更出色的頂部冷卻。我們的氮化鎵(GaN) FET 采用頂部冷卻封裝。隨著提高每臺(tái)服務(wù)器算力的需求，衍生出全新的、需要更多芯片散熱方法的更密集元件布置，這種封裝在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的重要性日益凸顯。

“由于 GaN 能幫助我們實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，這種靈活的冷卻方法將變得更加重要，”Robert 說(shuō)。

在微型芯片中，任何一種提效和散熱方法都可以顯著改善熱管理和效率。通過(guò)優(yōu)化封裝的大小和效率，我們可幫助解決數(shù)據(jù)中心客戶的散熱問(wèn)題，并減少對(duì)環(huán)境的影響。

審核編輯：湯梓紅