隨著AI的驚人發(fā)展，支撐其運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)中心的電力消耗量急劇攀升，這一嚴(yán)峻課題也日益突出。如何破解這一難題，已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文將聚焦羅姆SiC等功率器件及解決方案，并介紹其在革新服務(wù)器電源系統(tǒng)、助力數(shù)據(jù)中心提升算力與能效方面的核心內(nèi)容。

AI的驚人發(fā)展為社會(huì)帶來巨大變革，同時(shí)也凸顯出一個(gè)嚴(yán)峻課題——支撐其運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)中心，電力消耗量正急劇攀升。

為解決這一電力難題、助力日本引領(lǐng)AI時(shí)代，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省正大力推進(jìn)名為“瓦特·比特構(gòu)想”的國家戰(zhàn)略，旨在實(shí)現(xiàn)超節(jié)能型數(shù)據(jù)中心并在全國進(jìn)行優(yōu)化布局。

通過“瓦特·比特協(xié)同官民座談會(huì)”等平臺(tái)，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省正聯(lián)合電力、通信、數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體等各行業(yè)力量，全力推動(dòng)這一構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)。

1. AI是否將耗盡全球電力？

以ChatGPT為代表的生成式AI迅速普及，直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的電力消耗激增。復(fù)雜的AI模型在訓(xùn)練與推理過程中需要龐大的計(jì)算資源，而這些資源由24小時(shí)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)中心高性能服務(wù)器提供支撐。

電力消耗的急劇增加不僅加重了地區(qū)環(huán)境的負(fù)荷，從穩(wěn)定供電的角度來看也引發(fā)了擔(dān)憂。展望AI的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的電力供應(yīng)體系正逐漸顯現(xiàn)出局限性。

在這種背景下，亟待解決的課題可歸納為三點(diǎn)：“節(jié)能化”“可再生能源的利用”“數(shù)據(jù)中心的區(qū)域分散布局”。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)社會(huì)，必須擺脫對(duì)化石燃料發(fā)電的依賴，將太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電視為電力供應(yīng)的必要方式。

2. 可再生能源在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用

如今，作為社會(huì)重要基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心正迎來重大轉(zhuǎn)型期。

此前，受低延遲通信需求驅(qū)動(dòng)，“城市型數(shù)據(jù)中心”多集中建設(shè)于東京等大都市圈，為金融、醫(yī)療健康、邊緣計(jì)算等對(duì)高速且低延遲的數(shù)據(jù)訪問有要求的服務(wù)提供支撐。但隨著AI普及帶來的用電量增加，以及從大規(guī)模災(zāi)害時(shí)的業(yè)務(wù)連續(xù)性（BCP）角度考量，近年來數(shù)據(jù)中心向郊區(qū)分散的趨勢(shì)加速。

“郊外型數(shù)據(jù)中心”易于確保廣闊土地，適合引入太陽能、風(fēng)能等可再生能源。此外，在電網(wǎng)容量充裕的地區(qū)可期待穩(wěn)定供電；在氣候涼爽、水源豐富的地區(qū)，冷卻效率也會(huì)提升，進(jìn)而降低運(yùn)營成本。因此，郊外型數(shù)據(jù)中心在云托管、備份、災(zāi)害恢復(fù)系統(tǒng)、大規(guī)模存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷推進(jìn)。

3. 服務(wù)器機(jī)柜會(huì)持續(xù)增加嗎？

無論是難以確保場地的“城市型”數(shù)據(jù)中心，還是易于獲取廣闊土地的“郊外型”數(shù)據(jù)中心，其服務(wù)器安置空間都存在局限。

因此，當(dāng)前用于存放服務(wù)器的機(jī)柜，正朝著能高效容納更多高性能服務(wù)器的“高密度AI服務(wù)器機(jī)柜”方向演進(jìn)。

相較于數(shù)據(jù)中心整體服務(wù)器機(jī)柜總數(shù)的大幅增長，未來更可能呈現(xiàn)“高密度化”趨勢(shì)：通過增加單個(gè)機(jī)柜中搭載的CPU、GPU及其他功能板卡，在有限空間內(nèi)大幅提升單機(jī)柜計(jì)算能力，從而釋放最大性能。

形象地說，即便外觀相同的服務(wù)器機(jī)柜，其內(nèi)部的容納能力也可能提升數(shù)倍。

這種高性能化、高密度化對(duì)電力供應(yīng)機(jī)制提出了重大變革需求。傳統(tǒng)的多級(jí)電力轉(zhuǎn)換存在較大功率損耗，已難以實(shí)現(xiàn)高效供電。因此，未來將推進(jìn)減少電力轉(zhuǎn)換步驟、推進(jìn)高壓直流（HVDC）等技術(shù)革新，而SiC和GaN功率半導(dǎo)體的有效利用也將變得不可或缺。以ROHM為代表的各企業(yè)，正致力于相關(guān)技術(shù)研發(fā)，為這一電源系統(tǒng)的重大變革提供支持，助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能與高性能化。

4. 當(dāng)前的電源系統(tǒng)還能滿足需求嗎？

高性能AI服務(wù)器（尤其是GPU）的功耗急劇增加，正迫使現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的電源架構(gòu)（供電設(shè)計(jì)）進(jìn)行根本性重構(gòu)。原因在于，當(dāng)前的多級(jí)電力轉(zhuǎn)換存在較大轉(zhuǎn)換損耗，已難以實(shí)現(xiàn)高效供電。

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的供電流程為：高壓交流電（AC）輸入后，通過多臺(tái)變壓器和整流器逐步降壓，最終轉(zhuǎn)換為服務(wù)器所需的低壓直流電（DC）。但是，這種多級(jí)轉(zhuǎn)換會(huì)在每個(gè)步驟產(chǎn)生功率損耗，導(dǎo)致效率下降。

為此，數(shù)據(jù)中心未來將以電力轉(zhuǎn)換效率提升和可靠性提升為目標(biāo)，推進(jìn)以下變革：

減少電力轉(zhuǎn)換步驟

目前已出現(xiàn)整合多個(gè)轉(zhuǎn)換步驟的趨勢(shì)，例如從高壓交流電（AC）直接轉(zhuǎn)換為直流電（DC），或從高壓直流電一次性降壓至服務(wù)器所需電壓。通過大幅減少電力轉(zhuǎn)換步驟，可將轉(zhuǎn)換損耗降至最低水平，提升系統(tǒng)整體效率并降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

支持高壓輸入/高壓直流（HVDC）電源

服務(wù)器機(jī)柜的輸入電壓正從傳統(tǒng)的12VDC、48VDC等低電壓向400VDC甚至800VDC（或±400VDC）等高電壓過渡。提高電壓可降低電力傳輸時(shí)的電流，從而實(shí)現(xiàn)母線輕量化。

另外，不采用交流電，而是以高壓直流電直接為服務(wù)器機(jī)柜供電的“HVDC”系統(tǒng)正逐步推廣。HVDC可減少AC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更靈活的電力調(diào)控與雙向輸電，并更容易適用可再生能源。

固態(tài)變壓器（SST，Solid State Transformer）的發(fā)展

變壓器設(shè)備有望從傳統(tǒng)變壓器向采用半導(dǎo)體技術(shù)的SST（Solid State Transformer）演進(jìn)。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，SST被認(rèn)為是一種能夠顯著推動(dòng)小型化的技術(shù)方案。

SiC/GaN功率半導(dǎo)體需求增長

要實(shí)現(xiàn)高效高壓電源系統(tǒng)，就需要傳統(tǒng)硅（Si）半導(dǎo)體難以企及的性能。因此，SiC和GaN功率半導(dǎo)體成為必然選擇。它們?cè)诟邏狠斎霔l件下仍能實(shí)現(xiàn)低損耗、高頻運(yùn)行和高溫工作，非常有助于電源系統(tǒng)的小型化與效率提升。

此外，不僅電源系統(tǒng)，服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的各類設(shè)備也在向多功能化、高性能化發(fā)展，這將有助于進(jìn)一步提升能效。

ROHM也在加速面向下一代服務(wù)器的解決方案研發(fā)，除了利用“EcoSiC?系列”“EcoGaN?系列”“EcoMOS?系列”等技術(shù)的現(xiàn)有產(chǎn)品（如SiC/GaN/Si IGBT、隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器、冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器、SSD用PMIC、HDD用復(fù)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）外，還計(jì)劃開發(fā)大電流LV MOS、隔離型DC-DC、SoC/GPU用DC-DC、eFuse等產(chǎn)品。

*EcoSiC?、EcoGaN?、EcoMOS?均為ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊(cè)商標(biāo)。

為應(yīng)對(duì)市場變革，ROHM在深度優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品群性能的同時(shí)，正積極推進(jìn)以SiC和GaN為核心的功率半導(dǎo)體創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)，以靈活響應(yīng)新的市場需求。通過這些舉措，ROHM將為從數(shù)據(jù)中心末端的服務(wù)器機(jī)柜到整個(gè)系統(tǒng)，提供高耐壓、高效率的元器件，為下一代電源系統(tǒng)提供支撐。

5. 滿足下一代 AI 數(shù)據(jù)中心要求的功率半導(dǎo)體是什么樣的？

高壓大電流場景適用SiC器件

SiC器件在需要高電壓大電流的領(lǐng)域具備顯著優(yōu)勢(shì)。

如前所述，隨著服務(wù)器機(jī)柜輸入電壓向高壓演進(jìn)，傳統(tǒng)54V機(jī)柜電源系統(tǒng)除面臨物理空間限制外，還存在用銅量過高、功率轉(zhuǎn)換損耗等問題。

為此，在下一代數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中采用ROHM的SiC MOSFET，可使其在高電壓、高功率條件下發(fā)揮出優(yōu)異性能，通過降低開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗實(shí)現(xiàn)效率提升，并實(shí)現(xiàn)滿足緊湊、高密度系統(tǒng)要求的高可靠性。

這不僅能將能耗降到更低，還有助于削減用銅量，簡化數(shù)據(jù)中心整體的功率轉(zhuǎn)換過程。

高效化、小型化場景適用GaN器件

SiC適用于高電壓大電流場景，而GaN則在100V~650V范圍內(nèi)性能優(yōu)勢(shì)顯著，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的介電擊穿強(qiáng)度、低導(dǎo)通電阻和超高速開關(guān)特性。

AI服務(wù)器比通用服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)量更大，需運(yùn)行高性能GPU、大容量存儲(chǔ)器及高性能軟件。因此耗電量更多，散熱與冷卻也更為重要。

在電源模塊中使用可實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)（高頻運(yùn)行）的GaN HEMT，能夠最大限度降低功率損耗。功率轉(zhuǎn)換效率的大幅提升有望帶來節(jié)能效果，從而降低運(yùn)營成本并減輕環(huán)境負(fù)荷。

此外，具有高電流密度的GaN器件與傳統(tǒng)硅器件相比，體積可減小約30%~50%，便于為電源模塊、充電器等設(shè)備預(yù)留空間，同時(shí)簡化散熱設(shè)計(jì)。

而且，通過單元小型化，可利用節(jié)省出的空間，減輕冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，進(jìn)而有助于減小系統(tǒng)整體的體積并提高其可靠性。加之GaN器件耐久性高且適用于高頻應(yīng)用，因此被視為數(shù)據(jù)中心的理想選擇。

ROHM通過采用能進(jìn)一步提升GaN器件開關(guān)性能的自有Nano Pulse Control?技術(shù)，成功將脈沖寬度縮短至最小2ns。作為EcoGaN?系列，除150V和650V的GaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)器外，還包括整合了上述器件的Power Stage IC等產(chǎn)品，為滿足AI數(shù)據(jù)中心對(duì)小型、高效電源系統(tǒng)的需求，ROHM正在不斷擴(kuò)充相關(guān)產(chǎn)品陣容。

*Nano Pulse Control?為ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊(cè)商標(biāo)。

6. 總結(jié)

AI的進(jìn)化從未停止，隨之而來的電力需求增長已成為不可回避的現(xiàn)實(shí)。

據(jù)IEA（國際能源署）預(yù)測，未來五年全球數(shù)據(jù)中心的電力需求較當(dāng)前增長一倍以上，達(dá)到約9,450億kWh，其中半數(shù)將由太陽能、風(fēng)能等可再生能源提供。這明確表明，在耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，光伏發(fā)電（PV）、儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）等可再生能源市場正在快速崛起。

為應(yīng)對(duì)這一課題，日本政府正以國家戰(zhàn)略“瓦特·比特構(gòu)想”為框架，通過官民協(xié)同機(jī)制推進(jìn)多維度解決方案，包括提升電力系統(tǒng)效率、最大化利用可再生能源、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局等。

ROHM以SiC、GaN器件等先進(jìn)功率半導(dǎo)體技術(shù)為核心，擁有可實(shí)現(xiàn)高效電源系統(tǒng)及適配高壓輸入的豐富產(chǎn)品群。同時(shí)，為滿足下一代AI數(shù)據(jù)中心的需求，正積極投入新產(chǎn)品研發(fā)。我們將通過這些技術(shù)，為以更環(huán)保、可持續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)AI帶來的美好未來貢獻(xiàn)力量。