如何降低数据中心最后一英寸的损耗？英飞凌展示全面解决方案

如今，生成式人工智能（AI）的迅猛发展带来了数据处理需求的爆炸性增长。目前全球约有8,500个数据中心，且今年计划再建设150个，以应对日益增长的数据存储和处理需求。这些数据中心不仅规模各异，而且随着技术的进步，它们正变得越来越高效和强大。特别是超大规模数据中心，它们能够容纳数以万计的机架，支撑着庞大的工作负载和处理能力。

数据中心电力挑战

数据中心的电力需求随着AI处理器数量的增加而急剧上升。通常一个机架中大约有 50 个 CPU，以及24个AI处理器，按照一个拥有10,000个机架的数据中心计算，可能包含240,000个AI处理器和500,000个CPU。这些处理器不仅需要大量的电力来运行，而且还需要高效的冷却系统来防止过热。目前，一个机架的功率约为16千瓦，而下一代机架的功率预计将达到125千瓦。这样的电力需求对数据中心的电源转换和分配系统提出了严峻的挑战。

目前，高阶GPU的单芯片功耗高达1 kW，到二十年代末将达到 2 kW或更高，这将增加数据中心的总能源需求。根据国际能源机构（IEA）的预测，2022 年数据中心耗电量约占全球总耗电量的2%，到2030年，数据中心的耗电量将占全球总耗电量的7%，相当于印度目前的耗电量。

转换效率的重要性

电源转换效率对于数据中心的运营至关重要。数据中心的电流转换有多个环节，包括从高压交流电的降压到机架，再到将交流电压转换到48伏直流，经过不同降压阶段后，最终为0.7V的处理器供电。每一个环节都需要高效的电源转换。这包括数字控制器和功率级，它们共同工作以确保处理器得到所需的电压和电流。

目前而言，交流/直流电源实现的效率已经超过97%，中间直流直流转换效率也达到了98%，但是负载点的效率通常为 90% 左右，这是目前提升整体转换效率的最关键部位。

也正因此，目前业界正在采用48V母线以及垂直供电等技术，减少最后一英寸 PDN（电力输送网络）损耗，并最大限度地提高系统效率。

英飞凌的应对之道

2024年6月，英飞凌为AI系统能源供应发布了电源装置（PSU）产品路线图，除了已推出的输出功率为3 kW和 3.3 kW的 PSU 外，全新8 kW和12 kW PSU也将在不久的将来进一步提高AI数据中心的能效。借助12 kW参考板，英飞凌即将推出全球首款达到这一性能水平的电源装置，为未来数据中心供电。

英飞凌也在响应数据中心运营商对更高系统效率和更短停机时间的要求。服务器和数据中心应用的上涨增加了对电源的需求，因此需要开发额定功率从 800 W 到 5.5 kW甚至更高的电源。

在今年的PCIM 2024展会上，英飞凌也展示出了多款专为数据中心应用的电源管理方案，以表示公司在这一领域的布局与决心。

英飞凌提供了一系列的解决方案，包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和硅功率器件。这些半导体技术提供了更高的效率和功率密度，同时降低了系统成本和复杂性。

不同的产品组合是解决交流/直流电源挑战的完美搭配。比如在交流-直流电源中，可以使用图腾柱拓扑，在快速开关臂中使用碳化硅，而在慢速臂中使用超结硅。

另外，在400V-48V 直流/直流转换器中可以使用氮化镓，将 400 V直流转换为 48 V直流。而在 48 V总线上同样可以使用氮化镓进行同步整流。

今年，英飞凌扩大了碳化硅与氮化镓的生产规模，从而满足旺盛的市场需求。8月，英飞凌宣布其位于马来西亚的新晶圆厂一期项目正式启动运营，建设完成后该工厂将成为全球最大且最具竞争力的200毫米碳化硅功率半导体晶圆厂。9月，英飞凌再次宣布成功开发出全球首项300 mm氮化镓功率半导体晶圆技术，成为全球首家在现有且可扩展的大规模生产环境中掌握这一突破性技术的企业。

在展会现场，针对AI服务器54V输出平台，英飞凌开发的3.3kW PSU专用Demo板，采用了英飞凌的CoolGaN、CoolSiC、CoolMOS设计，以及英飞凌自有的控制芯片XMC系列等完整的解决方案，可实现整机基准效率97.5%，功率密度高达96W每英寸立方，解决数据中心PSU高功率需求。

垂直供电：优化AI服务器功率流

为了缩短负载点级和实际处理器之间的距离，英飞凌的垂直供电解决方案通过将电源模块直接放置在处理器下方，从而最小化了PDN的损耗。这种设计不仅提高了效率，而且还允许更紧凑的系统设计。

比如此次展示的OptiMOS双相电源模块，将两个 OptiMOS 6 功率级与电感器和电容器集成在单个基板上。与等效分立解决方案相比，这种集成度允许将多相降压稳压器的两相部署在减少 40% 的面积中。英飞凌的双相模块采用专有的顶部电感器设计，可提高热性能和电气性能，从而实现卓越的能源效率。

TDM22544D & TDM22545D 双相电源模块方案具有业界最佳功率密度：10x9x8 mm和10x9x5 mm，峰值电流为 160 A。可实现垂直供电，并且满载时效率比同类产品高出 2%，温度较同类产品低5°C。

48伏特中间总线转换器

相比于12V供电架构，48V系统通过提高母线电压，从而在相同功率情况下降低了电流，根据P=IR，从而减少PDN中传导损耗，提升产品效率。

在 48 V 供电架构中，英飞凌推出全新中间总线转换器 (IBC) 解决方案，即所谓的混合开关电容 (HSC) 和零电压开关型开关电容 (ZSC)，实现高效率和高功率密度应用。英飞凌 48V 架构专为超大规模数据中心和 AI 服务器的批量生产而设计。该架构可优化分立式 MOSFET、驱动器 IC 和控制器 IC，实现了贯穿整条功率转换链的设计创新。

ZSC 拓扑是由 48 V 总线电压提供 12 V 非稳压轨。该拓扑主要依靠开关和电容将电能从高电压轨传输到低电压轨，是实现零电压开关操作的根本所在，因此可提高开关频率和功率密度。

顺应封装尺寸小型化，接近数字负载和高开关频率的趋势，系统需要多相降压电平下的低电压输入。为实现更高的转换比，英飞凌推出混合开关电容 (HSC) 转换器，该器件集开关电容转换器优势与磁性器件的高降压比能力于一体。通过电容和磁性器件传输电能，转换器可显著提高效率和功率密度。但是，12 V 总线轨也需要接近数字负载的高功率密度。针对此类应用，可采用 2:1 ZSC 解决方案，该电容具备极高的功率密度和效率，效果出众。

不要小看一小步

伴随着人工智能的指数级增长，支持数据增长的芯片能耗也在呈指数级增长，电源解决方案和架构创新对于全球节能和数据中心更好的总拥有成本 (TCO) 产生可衡量的影响至关重要。

尽管电源效率改进看起来只有1%或2%，但这种电路板级别的效率提升，对于系统规模庞大的数据中心而言会具有成倍增长。

根据英飞凌的研究，对于一个拥有大约 100,000 个处理器的典型数据中心来说，效率提升一点，就可以节省超过 7 兆瓦的电力，相当于每年节省1,400万美元的电力开销。