快进到GaN数据中心

“硅芯片”一直是数据革命的支柱——实际上是推动者——无论是在 CPU、GPU、内存、网络等的数据处理方面，还是在高压交流电的电源转换方面低至微处理器所需的 1V。问题在于，作为功率转换平台的硅已经达到其物理极限，现在是新半导体——氮化镓 （GaN） ——取而代之的时候了。全球范围内的 Si 到 GaN 数据中心升级将减少 30-40% 的能源损失，这将转化为到 2030 年节省超过 100 TWh 和 125 Mtons 的 CO 2排放量。

数据中心整合——超大规模

随着互联网协议 （IP） 流量持续上升，规模经济意味着数据中心正在整合为“超大规模”运营（图 1）。这些设施是从头开始建造的，因此与传统或改造的电源解决方案无关。

图 1：年度 IP 流量增加和“超大规模”数据中心的兴起（思科）

服务器和电信架构的整合 – HVDC

让我们看看数据中心的架构，以及 GaN 可以在哪些方面减少损失，从而节省资金和自然资源。对于服务器，这通常是空调房间中的AC 到 12 V DC，而对于传统的低功能（例如仅语音）电信系统，这是远程、潮湿的“蜂窝塔”，需要 AC 来“防腐蚀” ， 负参考 48 V DC用于备用电池。随着流量的增加，大多数电信系统已经超出了原来的“仅基站”结构，现在处于类似的“干净”环境中，因此 48V 可以作为正参考并使用类似的系统组件作为服务器。由于预测显示从 2015 年到 2025 年仅 10 年数据流量就增加了 30 倍，预计这种趋势将继续下去。在整合方法中，我们还可以从交流配电向 400 V直流配电方法的过渡中受益，如图 2 所示。

图 2：将服务器 AC 和电信 48 VDC 架构整合到 400 VDC HVDC 系统中。［NTT］

为什么是氮化镓？

镓（Ga， 原子序数 31） 和氮 （N， 7） 结合成半导体材料 – 氮化镓 （GaN） – 就像硅 （Si， 14）。GaN 是一种“宽带隙”材料，因为它提供的电子带隙比硅大 3 倍，这意味着它可以用非常小的芯片处理大电场。凭借更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，同时使开关速度提高了 100 倍。低电阻和低电容可转化为更高的电源转换效率，因此向 IT 负载提供更多功率。这意味着每瓦有更多的功能或“操作”，而不是将能量作为热量燃烧掉，从而使系统变暖并产生额外的冷却（空调）工作负载。此外，高速（频率）开关意味着更小的尺寸和

GaN 作为功率元件构建块的实用和高性能实施在集成解决方案中 - Navitas Semiconductor 的 GaNFast 功率 IC。在这里，GaN 电源 （FET）、驱动、控制和保护高度集成，以创建易于使用、高性能、高频 （2 MHz） 的“数字输入、电源输出”构建块。GaN 功率 IC 是第二次电力电子革命的催化剂。

图 3：电力电子领域的两次革命，新开关材料、集成、新磁性和新拓扑的“完美风暴”正在推动从学术界到工业界的转变。每一次革命的结果都是开关频率、效率、功率密度的显着提高和成本的大幅降低。2014年Navitas Semiconductor的进入标志着GaN功率IC的推出。

“第二次革命”始于移动快速充电器市场，Anker、AUKEY 和 Belkin 等售后配件公司提供 30-100W 的单端口和多端口基于 GaN 的充电器。联想、戴尔、小米、OPPO 和华硕等一级原始设备制造商随后发布了高达 300W 的智能手机和笔记本电脑充电器。现已有超过 900 万个 GaNFast 电源 IC 出货，现场故障为零，设备现场工作时间超过 170 亿小时。该可靠性数据是保守的“关键任务”数据中心市场采用氮化镓的关键基础。

在文章的第二部分，我们将介绍氮化镓在多千瓦 AC-48V DC 中的使用，以及用于下游存储、CPU、GPU 和内存负载的 400-48V （HVDC） 和 48-xV 的 DC-DC 转换器在数据中心。

审核编辑：郭婷