罗姆功率半导体技术助力应对AI数据中心电力难题

随着AI的惊人发展，支撑其运转的数据中心的电力消耗量急剧攀升，这一严峻课题也日益突出。如何破解这一难题，已成为产业发展的关键。本文将聚焦罗姆SiC等功率器件及解决方案，并介绍其在革新服务器电源系统、助力数据中心提升算力与能效方面的核心内容。

AI的惊人发展为社会带来巨大变革，同时也凸显出一个严峻课题——支撑其运转的数据中心，电力消耗量正急剧攀升。

为解决这一电力难题、助力日本引领AI时代，日本经济产业省正大力推进名为“瓦特·比特构想”的国家战略，旨在实现超节能型数据中心并在全国进行优化布局。

通过“瓦特·比特协同官民座谈会”等平台，日本经济产业省正联合电力、通信、数据中心、半导体等各行业力量，全力推动这一构想的实现。

1. AI是否将耗尽全球电力？

以ChatGPT为代表的生成式AI迅速普及，直接导致数据中心的电力消耗激增。复杂的AI模型在训练与推理过程中需要庞大的计算资源，而这些资源由24小时不间断运转的数据中心高性能服务器提供支撑。

电力消耗的急剧增加不仅加重了地区环境的负荷，从稳定供电的角度来看也引发了担忧。展望AI的进一步发展，传统的电力供应体系正逐渐显现出局限性。

在这种背景下，亟待解决的课题可归纳为三点：“节能化”“可再生能源的利用”“数据中心的区域分散布局”。要实现可持续社会，必须摆脱对化石燃料发电的依赖，将太阳能、风能等可再生能源发电视为电力供应的必要方式。

2. 可再生能源在数据中心领域的应用

如今，作为社会重要基础设施的数据中心正迎来重大转型期。

此前，受低延迟通信需求驱动，“城市型数据中心”多集中建设于东京等大都市圈，为金融、医疗健康、边缘计算等对高速且低延迟的数据访问有要求的服务提供支撑。但随着AI普及带来的用电量增加，以及从大规模灾害时的业务连续性（BCP）角度考量，近年来数据中心向郊区分散的趋势加速。

“郊外型数据中心”易于确保广阔土地，适合引入太阳能、风能等可再生能源。此外，在电网容量充裕的地区可期待稳定供电；在气候凉爽、水源丰富的地区，冷却效率也会提升，进而降低运营成本。因此，郊外型数据中心在云托管、备份、灾害恢复系统、大规模存储等领域的应用不断推进。

3. 服务器机柜会持续增加吗？

无论是难以确保场地的“城市型”数据中心，还是易于获取广阔土地的“郊外型”数据中心，其服务器安置空间都存在局限。

因此，当前用于存放服务器的机柜，正朝着能高效容纳更多高性能服务器的“高密度AI服务器机柜”方向演进。

相较于数据中心整体服务器机柜总数的大幅增长，未来更可能呈现“高密度化”趋势：通过增加单个机柜中搭载的CPU、GPU及其他功能板卡，在有限空间内大幅提升单机柜计算能力，从而释放最大性能。

形象地说，即便外观相同的服务器机柜，其内部的容纳能力也可能提升数倍。

这种高性能化、高密度化对电力供应机制提出了重大变革需求。传统的多级电力转换存在较大功率损耗，已难以实现高效供电。因此，未来将推进减少电力转换步骤、推进高压直流（HVDC）等技术革新，而SiC和GaN功率半导体的有效利用也将变得不可或缺。以ROHM为代表的各企业，正致力于相关技术研发，为这一电源系统的重大变革提供支持，助力数据中心实现整体节能与高性能化。

4. 当前的电源系统还能满足需求吗？

高性能AI服务器（尤其是GPU）的功耗急剧增加，正迫使现有数据中心的电源架构（供电设计）进行根本性重构。原因在于，当前的多级电力转换存在较大转换损耗，已难以实现高效供电。

当前数据中心的供电流程为：高压交流电（AC）输入后，通过多台变压器和整流器逐步降压，最终转换为服务器所需的低压直流电（DC）。但是，这种多级转换会在每个步骤产生功率损耗，导致效率下降。

为此，数据中心未来将以电力转换效率提升和可靠性提升为目标，推进以下变革：

减少电力转换步骤

目前已出现整合多个转换步骤的趋势，例如从高压交流电（AC）直接转换为直流电（DC），或从高压直流电一次性降压至服务器所需电压。通过大幅减少电力转换步骤，可将转换损耗降至最低水平，提升系统整体效率并降低故障风险。

支持高压输入/高压直流（HVDC）电源

服务器机柜的输入电压正从传统的12VDC、48VDC等低电压向400VDC甚至800VDC（或±400VDC）等高电压过渡。提高电压可降低电力传输时的电流，从而实现母线轻量化。

另外，不采用交流电，而是以高压直流电直接为服务器机柜供电的“HVDC”系统正逐步推广。HVDC可减少AC/DC转换器的数量，实现更灵活的电力调控与双向输电，并更容易适用可再生能源。

固态变压器（SST，Solid State Transformer）的发展

变压器设备有望从传统变压器向采用半导体技术的SST（Solid State Transformer）演进。与传统设备相比，SST被认为是一种能够显著推动小型化的技术方案。

SiC/GaN功率半导体需求增长

要实现高效高压电源系统，就需要传统硅（Si）半导体难以企及的性能。因此，SiC和GaN功率半导体成为必然选择。它们在高压输入条件下仍能实现低损耗、高频运行和高温工作，非常有助于电源系统的小型化与效率提升。

此外，不仅电源系统，服务器机柜内的各类设备也在向多功能化、高性能化发展，这将有助于进一步提升能效。

ROHM也在加速面向下一代服务器的解决方案研发，除了利用“EcoSiC™系列”“EcoGaN™系列”“EcoMOS™系列”等技术的现有产品（如SiC/GaN/Si IGBT、隔离型栅极驱动器、冷却风扇驱动器、SSD用PMIC、HDD用复合电机驱动器）外，还计划开发大电流LV MOS、隔离型DC-DC、SoC/GPU用DC-DC、eFuse等产品。

*EcoSiC™、EcoGaN™、EcoMOS™均为ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。

为应对市场变革，ROHM在深度优化现有产品群性能的同时，正积极推进以SiC和GaN为核心的功率半导体创新产品研发，以灵活响应新的市场需求。通过这些举措，ROHM将为从数据中心末端的服务器机柜到整个系统，提供高耐压、高效率的元器件，为下一代电源系统提供支撑。

5. 满足下一代 AI 数据中心要求的功率半导体是什么样的？

高压大电流场景适用SiC器件

SiC器件在需要高电压大电流的领域具备显著优势。

如前所述，随着服务器机柜输入电压向高压演进，传统54V机柜电源系统除面临物理空间限制外，还存在用铜量过高、功率转换损耗等问题。

为此，在下一代数据中心电源系统中采用ROHM的SiC MOSFET，可使其在高电压、高功率条件下发挥出优异性能，通过降低开关损耗及导通损耗实现效率提升，并实现满足紧凑、高密度系统要求的高可靠性。

这不仅能将能耗降到更低，还有助于削减用铜量，简化数据中心整体的功率转换过程。

高效化、小型化场景适用GaN器件

SiC适用于高电压大电流场景，而GaN则在100V~650V范围内性能优势显著，可实现优异的介电击穿强度、低导通电阻和超高速开关特性。

AI服务器比通用服务器处理的数据量更大，需运行高性能GPU、大容量存储器及高性能软件。因此耗电量更多，散热与冷却也更为重要。

在电源模块中使用可实现高速开关（高频运行）的GaN HEMT，能够最大限度降低功率损耗。功率转换效率的大幅提升有望带来节能效果，从而降低运营成本并减轻环境负荷。

此外，具有高电流密度的GaN器件与传统硅器件相比，体积可减小约30%~50%，便于为电源模块、充电器等设备预留空间，同时简化散热设计。

而且，通过单元小型化，可利用节省出的空间，减轻冷却系统负担，进而有助于减小系统整体的体积并提高其可靠性。加之GaN器件耐久性高且适用于高频应用，因此被视为数据中心的理想选择。

ROHM通过采用能进一步提升GaN器件开关性能的自有Nano Pulse Control™技术，成功将脉冲宽度缩短至最小2ns。作为EcoGaN™系列，除150V和650V的GaN HEMT、栅极驱动器外，还包括整合了上述器件的Power Stage IC等产品，为满足AI数据中心对小型、高效电源系统的需求，ROHM正在不断扩充相关产品阵容。

*Nano Pulse Control™为ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。

6. 总结

AI的进化从未停止，随之而来的电力需求增长已成为不可回避的现实。

据IEA（国际能源署）预测，未来五年全球数据中心的电力需求较当前增长一倍以上，达到约9,450亿kWh，其中半数将由太阳能、风能等可再生能源提供。这明确表明，在耗电量巨大的数据中心领域，光伏发电（PV）、储能系统（ESS）等可再生能源市场正在快速崛起。

为应对这一课题，日本政府正以国家战略“瓦特·比特构想”为框架，通过官民协同机制推进多维度解决方案，包括提升电力系统效率、最大化利用可再生能源、优化数据中心布局等。

ROHM以SiC、GaN器件等先进功率半导体技术为核心，拥有可实现高效电源系统及适配高压输入的丰富产品群。同时，为满足下一代AI数据中心的需求，正积极投入新产品研发。我们将通过这些技术，为以更环保、可持续的方式实现AI带来的美好未来贡献力量。