超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的功率轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心幾乎每天24小時不停運行，耗電量占全球總需求的2%左右。隨著數(shù)據(jù)量和人工智能訓(xùn)練需求的增加，電力轉(zhuǎn)換效率變得尤為關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以滿足高性能處理器的需求，這些處理器雖然電壓低至0.7伏，但電流需求高達數(shù)千安培。

過去，數(shù)據(jù)中心使用鉛酸電池進行雙向轉(zhuǎn)換，先從交流電轉(zhuǎn)換到給鉛酸電池用的直流電，然后再從直流電轉(zhuǎn)換回交流電。而現(xiàn)在，在超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心通過整合UPS系統(tǒng)和備用電池到每個機架，確保了不間斷電源供應(yīng)，不再需要單獨的電池室。這種整合提高了效率，減少了空間占用，并確保了數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行。

現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換涉及三大階段：

? 交直流轉(zhuǎn)換器（AC/DC）：先通過AC轉(zhuǎn)DC轉(zhuǎn)換器將230~277伏的交流電轉(zhuǎn)換為48伏直流電，接下來，這48伏的直流電會送到機架的背板上，每個主板都由對應(yīng)的直流電供電。未來，這一交流電壓可能會進一步提升至347伏，優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。現(xiàn)階段這一轉(zhuǎn)化效率已超過97%。

? 中間總線轉(zhuǎn)換器：這一階段的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了98%，其原理是將48伏的直流電進一步降至12伏的中間電壓，預(yù)計未來會進一步降至6~8伏，以適應(yīng)更高效的功率轉(zhuǎn)換。

? 負載點轉(zhuǎn)換器（POL）：它一般工作在12伏，以0.7伏的典型輸出電壓直接給處理器供電。這一步的轉(zhuǎn)化效率通常達到90%左右，就目前看來，這是提升整體效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過降低中間總線電壓，并將負載點轉(zhuǎn)換器盡量靠近處理器，比如安裝在處理器背面，調(diào)整架構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)整體效率的提高。在此之中，也需要權(quán)衡配電過程中的損耗，綜合考慮負載實際功率。

其中，備用電池單元也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它可以在交流電中斷時提供電力，銜接啟動發(fā)電機的空擋。

英飛凌的解決方案

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心發(fā)展的基本趨勢是：大幅提升單機架的功率水平。隨著人工智能的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的功率需求也在不斷攀升——從過去每機架30千瓦的用電量，躍升到如今的100千瓦甚至更高。面對如此復(fù)雜的功率需求，不僅需要更好的半導(dǎo)體器件，還需要創(chuàng)新的拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法，以實現(xiàn)在有限的空間內(nèi)傳輸大量電力，同時在此過程中保持極高的傳輸效率。為此，英飛凌通過以下創(chuàng)新解決方案助力數(shù)據(jù)中心“減負提效”：

| 寬禁帶半導(dǎo)體

使用碳化硅、氮化鎵和硅相結(jié)合的功率器件，是應(yīng)對交流電轉(zhuǎn)直流電轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)的理想選擇。比如在交流轉(zhuǎn)直流電源中，可以使用圖騰柱拓撲，在快速開關(guān)臂中使用碳化硅，而在慢速臂中使用超結(jié)硅。在400V到48V的直流轉(zhuǎn)換器中可以使用氮化鎵，將400V直流轉(zhuǎn)換為48V直流。而在48V總線上同樣可以使用氮化鎵進行同步整流。

實際上，英飛凌的產(chǎn)品線已經(jīng)全面覆蓋了交流轉(zhuǎn)直流電源領(lǐng)域，提供的產(chǎn)品不僅僅局限于碳化硅和氮化鎵器件，還會根據(jù)市場需求推薦最合適的產(chǎn)品組合。

|備用電池“削峰填谷”

傳統(tǒng)備用電池通常處于待命狀態(tài)，僅在停電時作為應(yīng)急電源使用，導(dǎo)致其使用率較低。然而，最新的開放計算OCP 3.0規(guī)范中允許備用電池不僅待命，還能在負載高峰時，如AI訓(xùn)練期間GPU功率激增時，輔助交流轉(zhuǎn)直流電源供應(yīng)器，實現(xiàn)“削峰填谷”。這顯著提高了電池的使用率。

隨著使用頻率的增加，電池的電源效率變得至關(guān)重要。部分功率轉(zhuǎn)換器提供了一種更高效的解決方案，它直接利用電池電壓，僅需微調(diào)即可穩(wěn)定輸出48伏，大幅減少了處理的電力量，如僅需調(diào)節(jié)三分之一的電力。這種方法成本效益顯著，因為轉(zhuǎn)換器尺寸小，其效率非常高，最高峰值效率可達99.5%，整體效率也超過99%。此外，這種緊湊的設(shè)計占用空間少于傳統(tǒng)全功率后備電池單元轉(zhuǎn)換器，優(yōu)化了整體空間。

| 中間總線電壓優(yōu)化

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心普遍采用12伏電壓系統(tǒng)，但面對主板級別的高功率需求，特別是達到4千瓦以上時，48伏生態(tài)系統(tǒng)更具優(yōu)勢。英飛凌的解決方案能將48伏電壓轉(zhuǎn)換至12伏，以滿足負載點階段的需求。對于高性能處理器，如用于AI訓(xùn)練的GPU，在幾納秒內(nèi)就能從待機狀態(tài)切換到全功率運行，要求負載點開關(guān)具備快速響應(yīng)和高頻開關(guān)能力。為了適應(yīng)這種高頻開關(guān)需求，可選擇降低負載點的輸入電壓。在600到800千赫的頻率下，電壓為12伏；但要達到兆赫茲以上，理想電壓范圍應(yīng)為6到8伏。因此，48伏至6到8伏的轉(zhuǎn)換變得尤為重要。在使用開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的情況下，通過特定的拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)這一點，這正是英飛凌目前在推廣并引入市場的一項專有技術(shù)。

| 垂直供電解決方案

面對人工智能發(fā)展帶來的現(xiàn)代處理器功耗大幅增加的挑戰(zhàn)，目前最先進的方法是采用分立器件解決方案，即在主板上安裝多相降壓轉(zhuǎn)換器。然而，由于主板空間有限，同時需要集成數(shù)字信息傳輸和I/O線路，轉(zhuǎn)換器被設(shè)計在主板頂部，環(huán)繞處理器布局。這種布局在負載電流超過一千安培時會達到極限，因為此時主板內(nèi)的電力損耗會非常高，導(dǎo)致解決方案失效。為了克服這一問題，英飛凌提出了垂直供電解決方案，通過從主板背面直接供電至處理器，大幅減少電力損耗，同時結(jié)合集成電感器和先進冷卻設(shè)計，提升整體系統(tǒng)緊湊性和效率。

未來展望

基于當(dāng)前的發(fā)展趨勢，隨著功率水平繼續(xù)攀升，傳統(tǒng)交流供電方式可能會被直流配電（如400伏或正負400伏直流電） 所取代。這種配電方式將大幅降低損耗，這種更緊湊且高效的解決方案可以直接在主板級別將400伏直流電高效轉(zhuǎn)換為48伏直流電。

為了驅(qū)動這樣的系統(tǒng)，必須能夠隔離單點故障。我們需要一個多級安全系統(tǒng)，用于中斷多個級聯(lián)層的電流。主要是在配電層面、機架層面和主板層面實現(xiàn)隔離單點故障。如果這一趨勢成為現(xiàn)實，那么對于寬禁帶功率器件而言將是一個巨大的增長機會，這將推動碳化硅和氮化鎵等寬禁帶器件的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)中心正邁向更加高效、緊湊、智能的技術(shù)時代，而英飛凌始終致力于為這一發(fā)展提供可靠的功率轉(zhuǎn)換解決方案，助力行業(yè)實現(xiàn)技術(shù)躍升。

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