GaN在数据服务器中挑起效率大梁-Xilinx中国(赛灵思 AMD)

XILINX(AMD)，ALTERA(INTEL)，LATTICE

聚焦三大FPGA芯片品牌，强大的现货交付能力

首页 >> Xilinx新闻 >> GaN在数据服务器中挑起效率大梁

GaN在数据服务器中挑起效率大梁

虽然增加可再生能源是全球的大趋势，但这还不够。能源效率是另一个关键领域，因为服务器及其冷却系统占数据中心运营成本的近40%。GaN它具有独特的优势，提供卓越的性能和效率，彻底改变数据中心的配电和转换，节约能源，减少对冷却系统的需求，最终使数据中心更具成本效益和可扩展性。

数字化和云服务的快速建设促进了全球数据服务器产业规模的增长。如今，数据服务器消耗了全球近1%的电力，预计将继续增长。虚拟世界、增强现实和虚拟现实等下一代产业趋势所消耗的大量电力将远远超过地球上能够生产的能源。在21世纪初，Rack或Blade服务器PSU功率规模为200~300W左右，当时CPU的功耗则为30W至50W之间(图1)。

虽然增加可再生能源是全球的大趋势，但这还不够。能源效率是另一个关键领域，因为服务器及其冷却系统占数据中心运营成本的近40%。另一方面，数据服务器的能耗标准也朝着更高的效率发展。开放运算计划（OCP）3.0是为降低能耗的硬件提供进一步的优化规范，包括80 Plus白金和钛认证，以及欧盟的欧洲生态设计（ErP）第九批法律法规也在积极讨论中。

图一 : CPU功耗趋势。（source：NATIONAL ACADEMY）

服务器对电源的需求将在5年内增长3倍
目前，许多服务器设计设计Rack的48V隔离、调节DC/DC变压器转换为非隔离、未调节的48V DC/DC。服务器的内部空间非常宝贵，特别是那些为执行高级计算功能而设计的服务器，对功率的要求也越来越高。同时，一些GPU例如，在某些工作条件下，需要0.6V的电压。

因此，在电路空间有限的情况下，高功率密度架构成为电源系统设计师的目标。

从今天的主流来看，服务器CPU的功耗约为200W，散热设计功率也接近300W，因此服务器PSU功率规模将大幅增加到800~2000W。此外，为了满足越来越多的云计算，AI服务器计算要求等操作，使服务器必须支持GPU与CPU协务器的电力需求预计将在5年内增加到3万W即使在不久的将来，数据中心PSU功率将大幅增加到5000W以上。

自2004年以来，8004年以来 Plus标准为PC服务器供电系统提供了80%以上的效率认证。目前大部分量产服务器电源可达80 Plus Gold（>92%至能达到92%效率的要求 Plus Platinum（>94%效率)要求。下一步是开发更高的80 Plus Titanium服务器的规格PSU，本规格要求在半负荷下达到96%以上的峰值效率(表1)。

南皇电子专注于整合中国优质电子Xilinx代理商国内领先的现货资源，提供合理的行业价格、战略备货、快速交付控制Xilinx芯片供应商，轻松满足您的需求Xilinx芯片采购需求.

表一：各种80 Plus规格 (230V Internal Redundant)。（source：CLEAResult）

10%

20%

50%

100%

80 Plus

80 Plus Bronze

81%

85%

81%

80 Plus Silver

85%

89%

85%

80 Plus Gold

88%

91%

88%

80 Plus Platinum

90%

94%

91%

80 Plus Titanium

90%

94%

96%

91%

此外，根据数据中心的供电系统OCP开放机架(Open-Rack)电源供应系统需要达到97.5%以上的峰值效率。因此，新一代拓扑结构需要校正，如无桥式功率因素（PFC）以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带间隙材料技术生产的电源管理芯片将有助于PSU实现80 Plus Titanium以及开放运算的效率目标。

半导体的过去和现在：从锗到硅到化合物
半导体组件的历史可以追溯到1950年左右推出的点接触电晶体。锗是当时半导体产品的主要材料，但后来，具有更好特性的硅取代了锗，并在今天得到了广泛的应用。随着半导体制造设备精度的提高，以及组件结构和晶圆工艺的优化，硅半导体产品也在不断发展，促进了我们日常生活中电子产品的小型化和先进化。

但面对今天对高效半导体的需求，硅基材料不能满足所有的结构特性，特别是在功率半导体领域，物理特性远远超过硅半导体化合物半导体，因此在过去几年中，化合物半导体元件的开发和实际应用取得了相当大的进展。

图二 : SiC/GaN其应用范围将逐其应用范围。（source: Sanken Electric；作者整理）

硅是一种相当常见的单一化学物质；相反，SiC它是碳和硅的混合物，GaN则是镓与氮的混合物。由于这个原因，使用这些混合材料生产的半导体就被称为「半导体化合物」，或是「下一代半导体」。

SiC半导体化合物
SiC用碳材料代替半硅的化合物，其晶体结构比单晶硅更稳定。因此，SiC能提供较高的介电击穿场强度，能大大削弱活性层。使组件具有较高的击穿电压特性，损耗低于传统硅组件。作为硅IGBT的替代品，SiC在大电流和高耐压领域越来越受欢迎。具体来说，预计将是10kW或者广泛使用更大的功率应用，在制造更小更轻的系统方面也有很大的优势，如功率调节器、电源管理系统等。

图三 : Planer MOSFET结构Si和SiC的 MOSFET但是SiC传导损耗相当低。(source：Dempa；作者整理)

第2代和第3代 MOSFET工艺技术是平面的，因为结构很简单，所以工艺相当简单，成本低，可靠性高。因此，通过使用SiC材料，可使第三代MOSFET传导损耗最低。

GaN半导体化合物
GaN最初用于蓝光LED还有雷射二极管。后来逐渐扩展到通信射频，即使现在越来越多的功率转换电路可以看到GaN 的身影。

越来越多的行业者积极投资GaN因此，研发半导体制程GaN在第三代半导体行业代半导体行业增长最快的类别。TrendForce的资料预计， 2021年GaN市场规模将达到8300万美元，同期比增长高达73%。

虽然电源组件在各种系统电源管理电路中普遍被认为是低调的，但它们实际上是掌握电源管理关键的重要组成部分。例如，低电阻和电容可以提高功率转换效率，为数据服务器的工作负载提供更多的功率。而不是产生更多的热量，因为它会增加数据中心的冷却需求。低电阻和电容可以让每瓦执行更多的数据服务器操作。此外，由于每个开关周期储存的能量减少和高速频率开关，储电被动组件的尺寸和重量可以大大降低。因此，化合物半导体对服务器电源管理寄予厚望，期待带来突破性的效率提升。

在有限的空间内通过功率密度提高性能
与SiC相比，GaN键合结构更稳定，虽然击穿电压不像SiC如此高的组件，但适用于高频领域。电感和其它外围组件可以通过高频开关减少。

电子系统对功能的需求往往超过可用能量。这需要通过更高的效率和开关频率来增加额定形状尺寸（或功率密度）下处理的功率。不过，因为GaN随着材料功率芯片的出现，电源设计师愿意通过这些组件将更多的功率压缩到更小的空间，以提高效率和提高热性能。因此，电源系统设计师相当愿意GaN通过更高的密度和效率来提高电源等方面的效率。

GaN继续扩展云服务器上高速通信的应用
正如上面提到的，它得力于通过GaN随着技术的进步，加上电磁学和散热管理的改进，率的目标得到了加速。图4是最新版本的48 - 12 V非调控DC/DC布局及物理结构。将变压器放置在主动电路的顶部，可以节省空间，减少电阻损失。而且峰值效率达到98%，加上有效的散热管理，这个尺寸是22.8mm × 17.5mm × 7.5mm微提供高达1的微型变压器 kW的功率。

图四 : 1kW 48V–12V LLC 变压器。（source：Data Center Dynamic）

为了实现AIoT应用程序需要更快的射频功率放大器应用于云服务器和由传感器、执行器和微控制器组成的网络边缘。此外，这些功能中的每一个关键点IC，将异构集成到特定的应用系统中。

与传统的硅半导体相比，与电源电路相同GaN和GaAs射频功率放大器也具有开关速度高、开关速度低等诸多性能优点R DS(ON)电流损耗低，功率密度高。GaN射频功率组件的技术制造不仅可以提供高功率密度和良率，还可以提供高电压和255℃??下操作超过100万小时。

GaN下一代游戏规则将会改变
数据服务器是当今技术世界不可或缺的一部分。随着云端运算和机器学习（ML）随着新技术和工作负荷的广泛应用，数据服务器的压力越来越大，这一趋势预计只会继续。

我相信下一个挑战的解决方案将由GaN来担任，GaN它具有独特的优势，提供卓越的性能和效率，彻底改变数据中心的配电和转换，节约能源，减少对冷却系统的需求，最终使数据中心更具成本效益和可扩展性。

GaN是下一代半导体。GaN毫无疑问，全球工业者在集成电路和晶体管中的性能和潜在能力相当高，投入了大量资源进行开发，GaN半导体将是技术和电子行业下一个游戏规则变化者。