德州儀器全新欄目《創(chuàng)新芯科技》上線！首期內(nèi)容，我們將聚焦 AI 數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的電力需求，關(guān)注我們，我們將為您帶來(lái)更多關(guān)于未來(lái)科技的深度洞察與精彩內(nèi)容！

生成式 AI 的興起，正將數(shù)據(jù)中心的電力需求推向前所未有的高度。了解下一代 800VDC 電源架構(gòu)如何助力直面這些挑戰(zhàn)。

生成人工智能 (AI) 的時(shí)代已然來(lái)臨，它正在改變我們處理數(shù)據(jù)和與數(shù)據(jù)交互的方式。但這場(chǎng)革命伴隨著巨大代價(jià)：電力需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

即便是向大語(yǔ)言模型提出一個(gè)簡(jiǎn)單問題，其所需的電力也是傳統(tǒng)搜索引擎處理相同問題的 10 倍。隨著 AI 工作負(fù)載在成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器上成倍增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心正面臨前所未有的功率密度挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)到 2028 年，數(shù)據(jù)中心將占美國(guó)總用電量的 6.7% 至 12%。

這帶來(lái)了根本性的挑戰(zhàn)和范式轉(zhuǎn)變：如何產(chǎn)生為數(shù)據(jù)中心供電所需的必要能源，以及如何高效地通過供電路徑輸送這些能源。

未來(lái) AI 數(shù)據(jù)中心的電源管理需要一種全局性的方法，從電網(wǎng)端的發(fā)電，一直到圖形處理單元基礎(chǔ)邏輯門的級(jí)別。這種方法將實(shí)現(xiàn)處理器與電源系統(tǒng)間的無(wú)縫通信、整個(gè)電力鏈的智能負(fù)載平衡以及與可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的更緊密集成，幫助設(shè)計(jì)人員在減少數(shù)據(jù)中心碳足跡的同時(shí)，通過多層冗余提升可靠性。

01數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的演進(jìn)

傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)正在達(dá)到其物理和電氣極限。我們來(lái)了解一下數(shù)據(jù)中心電源基礎(chǔ)設(shè)施的變革之旅。

第 1 代：傳統(tǒng)交流配電（2015 年前）

在過去，計(jì)算機(jī)架將服務(wù)器層層堆疊，電源設(shè)備 (PSU) 位于機(jī)架底部。這些系統(tǒng)通常支持每個(gè)機(jī)架約 10kW 至 15kW 的功率級(jí)別。數(shù)據(jù)中心向每個(gè)服務(wù)器機(jī)架分配交流電，由 PSU 將其轉(zhuǎn)換為 12V 直流電，再分配至服務(wù)器主板。服務(wù)器中的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器然后將電壓降至處理器柵極核心電壓。

第 2 代：中間直流配電（目前）

隨著計(jì)算需求的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心已演進(jìn)至可處理每個(gè)機(jī)架 30kW 至 130kW 的更高功率需求。第 2 代仍使用 240VAC 輸入，但轉(zhuǎn)換為 48V 而不是 12V。

一項(xiàng)重大創(chuàng)新是將不間斷電源功能移至服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的電池備份單元。這種架構(gòu)使得更多電力能夠流經(jīng)相同尺寸的導(dǎo)體，從而更大限度提升現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的效率。

但隨著生成式 AI 的問世，以及為處理信息而增設(shè)更多服務(wù)器，服務(wù)器如今對(duì)電力的需求大幅增加。這些不斷增長(zhǎng)的電力需求正在達(dá)到當(dāng)前電源架構(gòu)的極限。

第 3 代：高壓直流配電（2026-2027 年）

下一代 AI 優(yōu)化型數(shù)據(jù)中心將采用 ±400V 或 800V 的高壓直流配電架構(gòu)。

最近的一項(xiàng)創(chuàng)新是引入“側(cè)機(jī)架”，這是一種緊鄰服務(wù)器機(jī)架布置的專用電力機(jī)架。電池備份和電力轉(zhuǎn)換都在這些側(cè)機(jī)架中完成，從而為計(jì)算機(jī)架騰出寶貴空間用于實(shí)際計(jì)算。這種設(shè)計(jì)可大幅提高功率級(jí)別（每個(gè)機(jī)架可高達(dá) 600kW 至 1MW），同時(shí)有助于與可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)更緊密集成。

第 4 代：電網(wǎng)集成直流架構(gòu)（未來(lái)）

展望未來(lái)，業(yè)界正在設(shè)想將電源完全移出數(shù)據(jù)中心。通過在整個(gè)設(shè)施內(nèi)分配直流總線電壓來(lái)處理電力。最終目標(biāo)是在服務(wù)器大廳旁設(shè)置電力室，專門產(chǎn)生和分配高壓直流電。

如此徹底的重新設(shè)計(jì)很可能僅適用于新建數(shù)據(jù)中心，這代表了對(duì)計(jì)算設(shè)施與電力基礎(chǔ)設(shè)施及可再生能源的連接方式的根本性重新思考。

02800 VDC 架構(gòu)是否是AI 計(jì)算的未來(lái)？

挑戰(zhàn)顯而易見：要為 1MW AI 計(jì)算機(jī)架供電，當(dāng)今的 48V 配電系統(tǒng)需要 20,000A 以上的電流。在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，如果使用銅質(zhì)總線輸送如此大電流，在尺寸和成本上根本不可行。

要實(shí)現(xiàn) 800VDC 系統(tǒng)所需的效率和功率密度，需要尖端技術(shù)，包括精密控制系統(tǒng)、氮化鎵半導(dǎo)體創(chuàng)新、空間優(yōu)化以及整體電源管理方法。

03前瞻未來(lái)，無(wú)限可能：

可持續(xù)的 AI 計(jì)算未來(lái)

向更高電壓架構(gòu)的轉(zhuǎn)型不僅代表著工程優(yōu)化，更是 AI 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然演進(jìn)步驟。

其優(yōu)勢(shì)顯而易見：

?功率密度大幅提升，可在同等空間內(nèi)支持更大算力。

?通過高級(jí)控制提高能效，降低運(yùn)營(yíng)成本和碳足跡。

?可擴(kuò)展性增強(qiáng)，支持不斷擴(kuò)展的 AI 工作負(fù)載。

?與可再生能源更緊密集成，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

為 AI 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)下一代電源架構(gòu)，讓算力和能源效率成為關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，正在迅速成為電源設(shè)計(jì)師面臨的最激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)之一。

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