本文將聚焦AI對數據中心架構的影響，以及這些變化對服務器和機架技術的意義。具體而言，我們將探討轉向48V架構如何提升數據中心能效，以及高性能硅基MOSFET如何應用于服務器、機架及相關設備以支持這一架構演進。

數據中心與電力

當前數據中心約占全球總用電量的2%，但到2030年可能攀升至7%。直觀來看，屆時全球數據中心的整體用電量將與當今印度全國的電力消耗規模相當。

AI需求的激增是推動這一預測的主因。大多數AI工作負載在GPU上運行效率更高，而運行AI工作負載的GPU功耗也顯著增加。二者共同產生的廢熱大幅上升，需要更龐大的冷卻系統，進而導致電力消耗進一步增加。

要滿足數據中心行業預期的電力需求，全球需要巨額投資建設大量新發電廠。這也解釋了為何提升數據中心能效變得前所未有的緊迫。

數據中心電力架構演進

行業提升能效的關鍵舉措之一是從12V中間總線電壓轉向48V供電架構。

單個機架通常容納四臺及以上服務器。當前配置CPU的服務器機架功耗約為3-5kW，而滿載高性能GPU和AI加速器的機架功耗可達10-100kW甚至更高。

由此帶來的影響顯而易見：在電壓恒定的情況下，電流增加導致電阻上升(P=I2R)，造成傳輸損耗加劇。恰與此對應，數據中心的電流預計將持續陡增。

因此，采用更高電壓成為減少傳輸損耗、提升電力傳輸效率的必然選擇。數據中心向48V架構的轉型已于數年前啟動。

當交流電進入機架后，會經過多次交直流轉換和降壓：先降至48V，再到12V或6V，最終調整為滿足各類處理器(CPU/GPU/TPU)所需的精確電壓(通常約1VDC)。優化這一過程的每個環節對最小化能量損耗至關重要，而這正是高性能MOSFET大顯身手之處。

MOSFET的關鍵作用

MOSFET是實現高效電能轉換的核心元件，貫穿從208-277VAC輸入到最終1V以下的整個降壓過程，涉及機架至電路板再到芯片的各級供電網絡。其在AC/DC轉換環節同樣不可或缺。

MOSFET廣泛應用于供電系統及多個機架/服務器子系統，包括：

· 開關電源(SMPS)

· 電源單元(PSU)

· 中間總線轉換器(IBC)

· 負載點轉換器(POL)

· 電池備份單元(BBU)

電力設計慣例要求MOSFET的耐壓值高于標稱電壓，因此48V中間總線需采用25-650V MOSFET。電網電力進入數據中心后首先通過SMPS(通常為效率>97%的鈦金級)，這類高效能設備已成為行業標配。

電源單元(PSU)

典型機架電源層配備6個PSU。MOSFET在PSU中用于：

· 功率因數校正(PFC)

· 隔離式DC/DC轉換器原/副邊

· 替代DC輸出ORing電路中的二極管

650V MOSFET(如英飛凌CoolMOS?超結MOSFET或CoolSiC?碳化硅MOSFET)用于PFC和DC/DC原邊。LLC是DC/DC轉換最常用拓撲，其副邊同步整流FET(全橋整流)和輸出ORing MOSFET通常采用80V器件。英飛凌80V OptiMOS? 6憑借超低導通電阻顯著提升系統效率。

除極致能效外，PSU設計還追求高功率密度和熱管理能力，這要求器件高度緊湊。

中間總線轉換器(IBC)

每個機架包含大量計算機托盤和交換托盤。IBC需將48V電源轉換為機架內各子系統所需的多級電壓：

· 首級轉換器采用多顆MOSFET將48V高效降至12V/9.6V/8V/6V/4.8V等中間電壓

· 二級POL轉換器(GPU板載)通常采用25V MOSFET，根據處理器需求降至1V左右

當前AI加速模塊功率已超750W(0.75V核心電壓下電流達1000A)。當主板搭載8個此類模塊時，功率等級與熱管理面臨嚴峻挑戰。

IBC配置需考慮：

· 散熱方案(風冷/液冷)

· 質量與可靠性平衡(實現目標MTBF)

· GPU功率提升帶來的功率密度需求

· 總擁有成本(TCO)約束下的能效優化

通常80V MOSFET適用于原邊，15-60V MOSFET適合副邊。英飛凌OptiMOS?系列憑借超低導通電阻和優異品質因數，特別適合高頻開關應用。

電池備份與熱插拔

每個服務器機架的BBU都需MOSFET支持，電池管理系統和內部DC/DC轉換器通常采用80V/100V MOSFET。

MOSFET在熱插拔子系統中的保護作用同樣關鍵。數據中心需實時更換故障板卡或升級硬件，100V MOSFET(如英飛凌OptiMOS? 5 Linear FET 2)為此提供可靠保護。

封裝技術演進

隨著應用需求日益嚴苛，器件封裝對性能的影響不容忽視。MOSFET導通電阻(RDS(on))由硅芯片電阻(Rsi)和封裝電阻(Rpack)構成。隨著硅工藝進步，Rsi持續降低，使得Rpack在總電阻中的占比日益顯著。

英飛凌在封裝領域保持領先，多款MOSFET采用PQFN封裝(支持單/雙面冷卻)，兼具超低RDS(on)特性。先進封裝還能：

· 降低寄生電感，提升開關性能(對高開關頻率的AI服務器至關重要)

· 提高額定電流能力，應對系統功率持續增長的需求

總結

數據中心的能源使用模式使能效提升成為剛需。電力管理已成為與數據處理同等重要的工程挑戰。

能效優化必須從分立元件貫穿至系統級。數據中心規模決定了即使微瓦級的節能，通過規模化復制也能產生顯著效益——MOSFET的選擇同樣舉足輕重。