高算力一定是高電費嗎？要看功率半導體怎麼用 - asiasworldcity.hk

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DeepSeek等大模型的持續演進和升級，極大地加速了AI技術的擴散與部署步伐，推動全球智算中心規模不斷擴張，以應對日益攀升的智算需求。這一發展趨勢對算力基礎設施產生了積極的促進作用，但與此同時，高能耗問題也日益凸顯，成爲制約智算中心發展的瓶頸。目前，智算中心已經消耗了全球電力的1~2%。有預測顯示，到2030年，這一比例可能會飆升至21%。爲此，全球智算數據中心紛紛加大在供配電系統的投資力度，力求在提高功率密度的同時能夠有效降低能耗。AI基建能耗的挑戰作爲支撐AI應用的基礎設施，數據中心的重要性不言而喻。然而，隨着AI需求的持續增長，數據中心正面臨着日益嚴峻的能耗的挑戰。隨着終端機櫃功率密度的提升，智算中心中，GPU芯片算力的提升直接帶動了其功耗的上升。以英偉達算力芯片爲例，其H100/H200/H800等芯片的TDP設計功耗已達700W，而B200功耗更是達到了1000W，GB200的功耗則高達2700W，算力的快速提升直接導致了功率的迅速增長。xAI不久前發佈的Grok 3的數據中心配備了20萬塊英偉達H100 GPU，據估算，Grok 3超算集羣年耗電量預計達4.3億千瓦時，其核心訓練集羣的電力消耗高達150兆瓦，而下一代模型（如Grok 4）的訓練將需要1.2吉瓦的電力。從系統看，AI服務器通常由8卡GPU組合或NPU模組構成，單臺服務器的功耗在5-10kW之間。當這些服務器進一步組成整機機櫃時，機櫃功率密度可以達到40kW以上。以英偉達服務器爲例，其DGX架構8卡GPU H100服務器的額定功耗爲10.2kW，安裝4臺服務器的風冷機櫃功耗爲42kW。而在GB200架構中，NVL36機櫃的功率密度爲72kW，NVL72液冷機櫃的功率密度則高達120kW。圖：預計全球機架功率密度將呈現逐年提升態勢此外，超級計算機的能耗也值得關注。全球500臺較強大的超級計算機的平均功耗爲2.1兆瓦，而其中20臺較快的超級計算機的功耗更是超過了11兆瓦。顯然，能源效率已經是AI可持續發展的重要課題，業已成爲各大智算公司在平衡性能與環境責任時的戰略要務。功率半導體的應用電源系統需要更低的系統總成本和緊湊的尺寸，因此必須提高功率密度，尤其是數據中心的平均功率密度正在迅速攀升。從十年前的每個1U機架通常只有5 kW，增加到現在的20 kW、30 kW或更高。電源供應器(PSU)還必須滿足數據中心行業的特定需求。人工智能數據中心的PSU應滿足嚴格的Open Rack V3 (ORV3) 基本規範，要求30%到100%負載下的峯值效率達到97.5%以上，並且10%到30%負載下的較低效率達到94%。因此，數據中心迫切需要能夠高效轉換電能的功率半導體，以降低成本並減少排放。同時，更高的電源轉換效率也意味着發熱量減少，從而降低散熱成本。先進的功率半導體技術在數據中心的電力轉換和分配中發揮着關鍵作用，爲滿足這些要求提供了可能。目前，功率半導體器件主要是Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）三種半導體，它們各具特色，在電子遷移率方面表現出顯著差異，這一關鍵因素直接影響着電子在材料中的移動速度及設備的切換速度，進而影響開關損耗。同時，開關頻率的高低也對外圍功率電子器件的尺寸產生重要影響，較高的開關頻率有助於減小器件尺寸，提升功率密度和速度。圖：Si、SiC和GaN半導體特性的比較在服務器電源領域，SiC和GaN技術展現出了其獨特的優勢。SiC二極管因反向恢復損耗小，已成功取代Si二極管應用於PFC中，顯著提高了效率。隨着SiC MOSFET技術的不斷成熟，其設計可採用較少元件即可實現較高的功率密度。相比之下，GaN在PFC中的應用同樣表現出色。與Si MOSFET相比，GaN具有更小的柵極和輸出電容、更低的導通電阻和反向恢復電荷，從而實現了更低的開關和導通損耗。此外，GaN還能實現更高的開關頻率，採用較小電感即可構建緊湊的系統體積，並達到更高的功率密度。在輕載時，GaN PFC的效率明顯高於SiC PFC。在高壓DC/DC部分，GaN芯片同樣能提高效率和功率密度。當工作頻率升高時，SiC系統效率的降低速度快於GaN系統。因此，若工作頻率高於200KHz或對輕載至半載效率有較高要求時，GaN是首選。在48V到12V的低壓DC/DC轉換中，GaN則能減少損耗並提高輕載時效率。而在高壓場合，SiC則更具優勢；發展和應用趨勢隨着數據中心建設的快速推進，對功率半導體的需求量也在不斷攀升。據IDC數據顯示，2023年全球數據中心市場規模已達2800億美元，預計2026年將增長至3800億美元，年複合增長率高達10.4%。數據中心功率需求的激增，驅動了技術的不斷升級。AI服務器的普及使得單機架功率需求從30kW飆升至100kW以上，對電源系統的高效性和穩定性提出了更高要求。爲了滿足這一需求，電力架構正在從傳統的12V直流母線向48V過渡，以減少傳輸損耗並支持更高功率密度，如Open Rack v3標準的推廣就加速了這一轉型。同時，數據中心運營商將電源轉換效率目標提升至97.5%以上，這推動了功率半導體技術從Si基向寬禁帶材料（如SiC、GaN）的升級。圖：2023-2029年電源模塊封裝市場發展——按封裝解決方案細分功率半導體的智能化趨勢也日益明顯。通過集成傳感器和控制芯片，實現自我診斷和保護，提高了系統的穩定性和智能化水平。例如，數據中心中的功率半導體器件可以集成溫度傳感器和MEMS振盪器，以提供更精確的定時和控制功能。此外，功率半導體在數據中心的應用領域也在不斷拓展，除了傳統的電源管理芯片、電源轉換器、逆變器等，還開始應用於邊緣計算和分佈式能源系統，推動能源互聯網和智能城市的建設。在技術創新方面，SiC MOSFET和GaN HEMT等器件在AI服務器的電源轉換模塊中得到了廣泛應用，大幅提高了電源轉換效率，降低了能耗和發熱量。隨着技術的進步和成本的降低，第三代半導體材料在數據中心中的應用範圍將進一步擴大。同時，爲了滿足數據中心對高效、穩定電源的需求，電源轉換新拓撲的發展也成爲重要趨勢。例如，採用LLC諧振轉換器等拓撲結構的電源單元具有高效率、高功率密度、低紋波電流和EMI等優點，能夠顯著提高數據中心的能源效率和穩定性。隨着數據中心向更高功率密度、更小尺寸和更低成本的方向發展，電源轉換新拓撲的研究和應用將更加深入。國產化前景近年來，國產功率器件在數據中心領域蓬勃發展，市場份額持續擴大，技術層面不斷突破，已有國內企業設計出了基於SiC的50kW HVDC電源系統，顯示出國產SiC模塊在電力電子應用中正逐步取代進口IGBT模塊。在成本方面，國產功率器件的價格具有競爭力，有助於降低數據中心的建設和運營成本。以SiC爲例，目前，國產650V SiC MOSFET的價格已持平甚至低於超結器件，且採用SiC器件的服務器電源系統因高頻化而減少了30%的磁性元件和50%的散熱成本，因而整體BOM成本保持不變。在性能方面，國產功率器件不斷提升，通過零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）技術，SiC MOSFET可以將整機效率提升至96%~98%（達到鈦金能效標準）。相比超結方案，SiC MOSFET的效率提升了2%~3%。未來，SiC MOSFET將成智算中心的電力系統的主流選擇，市場份額將進一步拓展。隨着數據中心建設加速，中國正在功率半導體行業進行大量投資，從新的統計數據看，已有超過50家相關公司，覆蓋了整個生態系統，行業競爭力和發展潛力正在提升，國產功率器件的前景廣闊。功率器件技術的不斷突破，探索其創新應用與產業升級已成爲行業焦點。即將於4月份舉辦的NEPCON China 2025將匯聚全球領先企業，爲功率器件企業提供了一箇展示新產品、技術和解決方案的國際化平臺。與會者將深入探討功率半導體技術、先進封裝工藝及未來趨勢，爲產業鏈帶來前沿洞察與商業機遇，在幫助企業提升品牌知名度和影響力的同時，促進全球行業夥伴的交流與合作，爲功率器件市場注入新的活力！ICPF功率半導體技術及應用大會將於2025年4月23日在上海世博展覽館舉行。本次大會聚焦功率半導體技術的前沿發展與應用，爲行業專家和企業代表提供一箇深度交流與合作的平臺。本次大會聚焦於高可靠性SiC MOSFET器件、車載充電功率器件創新解決方案、SiC功率器件在新能源格局中的應用等熱點話題。大會邀請了包括清純半導體、士蘭微電子、新微半導體、飛鋥半導體、功成半導體、方正微電子等多家知名企業高管和專家參與，將分享他們在功率半導體領域的新研究成果和應用案例。

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