電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）AI技術(shù)在近年快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛的同時，也帶來了巨大的算力需求，數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模不斷擴大，算力芯片功率越來越高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的能耗暴增。

有數(shù)據(jù)顯示，目前全球正在建設(shè)或處于不同開發(fā)階段的數(shù)據(jù)中心有7000多個，是2015年的2倍。而目前全球數(shù)據(jù)中心消耗的電力大概占總電力消耗的1%至2%，預(yù)計到2030年，數(shù)據(jù)中心電力需求還會增長160%，到本世紀末，數(shù)據(jù)中心在全球電力消耗占比可能高達4%。

根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2022年中國數(shù)據(jù)中心耗電量達到2700億千瓦時。預(yù)計到2030年耗電量將飆升至接近4000億千瓦時，這是什么概念？三峽電站年設(shè)計發(fā)電量僅882億千瓦時。

因此，解決數(shù)據(jù)中心電力消耗高的問題，一方面是提高使用清潔能源的比例或增加發(fā)電量，另一方面是從數(shù)據(jù)中心本身著手，提高效率，降低能耗。

為降低數(shù)據(jù)中心能耗作出的努力

數(shù)據(jù)中心的能耗主要來自于幾大部分，包括核心的服務(wù)器機柜中各種設(shè)備；為機房提供恒溫恒濕的精密空調(diào)，以及服務(wù)器板卡上的散熱風(fēng)扇，甚至是水冷系統(tǒng)等；供配電系統(tǒng)，比如變壓器、不間斷電源(UPS)、配電柜等，它們在電能轉(zhuǎn)換和分配過程中也會產(chǎn)生能耗。

當(dāng)然最關(guān)鍵的就是算力芯片，比如英偉達最新推出GB200AI加速卡由2個B200 GPU和一個Grace CPU組成，估算單卡的峰值功率將高達2700W。

而一個用于訓(xùn)練萬億參數(shù)級別大模型的數(shù)據(jù)中心，過去動輒需要超過上萬塊AI加速卡。以英偉達2017年推出的V100 GPU來看，當(dāng)時單卡最大熱設(shè)計功耗是250W，F(xiàn)P64算力是7TFLOPS，F(xiàn)P32算力是14TFLOPS。

通過在過去幾年工藝制程的提升，以及芯片架構(gòu)設(shè)計上的改進，從V100到A100再到H100，2022年H100的最大熱設(shè)計功耗是300W-350W，相比V100提高了20%到40%。但同時它的算力增長幅度更大，F(xiàn)P64算力26TFLOPS，相比V100提升371%；FP32算力51TFLOPS，相比V100提升364%，能效比提升幅度巨大。

而GB200更是采用NVLink-C2C 片上互聯(lián)技術(shù)，集成兩個GPU和一個CPU核心，構(gòu)成一個超大芯片，這是封裝和高速互連技術(shù)所帶來的提升。

所以在算力芯片上，盡管摩爾定律式微，工藝制程帶來的性能提升越來越小，但英偉達CEO黃仁勛又提出了“黃氏定律”，GPU能效每兩年將增加一倍以上。除了芯片工藝制程之外，芯片架構(gòu)設(shè)計、封裝技術(shù)的發(fā)展，依然能夠推動GPU能效的持續(xù)提升。

在算力芯片之外，數(shù)據(jù)中心的電源、供配電系統(tǒng)也是能耗大戶。數(shù)據(jù)中心的電源效率通常用電源使用效率（PUE）來衡量，PUE是數(shù)據(jù)中心消耗的所有電力與IT設(shè)備使用的電力之比。PUE的值越接近1，表示數(shù)據(jù)中心的電源效率越高，能耗越低。

簡單來說就是，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的所有電力消耗都被用于真正起到計算和存儲作用的機柜時，PUE就是1。但由于數(shù)據(jù)中心還有空調(diào)、供配電、監(jiān)控、建筑照明等外圍用電設(shè)備，所以在實際應(yīng)用中PUE遠大于1。

根據(jù)2018年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球數(shù)據(jù)中心的PUE平均值為1.58。一些地區(qū)或國家可能有更嚴格的要求，比如在中國，北京和深圳對新建數(shù)據(jù)中心的PUE要求在1.4以下，上海的要求更為嚴格，要求PUE達到1.3以下。

為了降低PUE，有些企業(yè)嘗試在冷卻上下功夫，比如微軟在2018年啟動了一項實驗，在蘇格蘭海岸外 117 英尺的水下安裝了擁有864臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，測試利用海水散熱降低數(shù)據(jù)中心能耗的可行性。2020年微軟公布了測試結(jié)果，表示水下服務(wù)器的設(shè)備故障率僅為陸地數(shù)據(jù)中心的 1/8，同時海水溫度穩(wěn)定，可以穩(wěn)定為服務(wù)器散熱。然而有趣的是，微軟今年卻宣布未來不會在世界任何地方建設(shè)海底數(shù)據(jù)中心，耐人尋味。

除此之外，服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換效率對于目前功率越來越大的服務(wù)器來說，收益更大，因此近年服務(wù)器電源效率就受到了更多關(guān)注。

第三代半導(dǎo)體，助力服務(wù)器電源效率突破

服務(wù)器電源需要在服務(wù)器機架有限的空間里提供大功率供電，一方面需要更高的功率密度，其次是需要更高的轉(zhuǎn)換效率。業(yè)界對電源有多個等級標準，比如銅牌電源的轉(zhuǎn)換效率大于等于82%，在50%負載下效率要在85%以上；最高級的鈦金牌電源，在50%負載下轉(zhuǎn)換效率要達到96%，在10%和100%負載下效率也需要超過90%。

由于服務(wù)器需要常年24小時不間斷運行，那么幾個百分點的效率差距，就能產(chǎn)生巨大的成本收益。比如將1000W的服務(wù)器上的白金電源換成鈦金級電源，每年可以節(jié)省200千瓦時電力消耗。如果在一個十萬臺服務(wù)器的超大型數(shù)據(jù)中心中，一年就可以節(jié)省2000萬千瓦時，大大降低數(shù)據(jù)中心運營成本。

所以結(jié)合高效率和高功率密度的兩大需求，第三代半導(dǎo)體開始應(yīng)用到服務(wù)器電源上。比如華為PAC3000S12-T1鈦金級3000W服務(wù)器電源，就采用了GaN功率器件，功率密度超過6W每立方毫米，轉(zhuǎn)換效率超過96%，最高可達98%。

英飛凌今年發(fā)布的數(shù)據(jù)中心電源路線圖上也表示，將推出兩款混合使用硅、GaN、SiC三類晶體管開關(guān)以實現(xiàn)100W每英寸立方的高功率密度和97.5%的高轉(zhuǎn)換效率的服務(wù)器電源，采用全數(shù)字控制交錯式無橋圖騰柱PFC搭配全橋GaN LLC電路設(shè)計。

英諾賽科去年推出了一款2kW的服務(wù)器電源方案，功率密度達到76W每立方英寸，效率達到96.5%，采用 InnoGaN 650V 氮化鎵芯片以及圖騰柱無橋 PFC+LLC 結(jié)構(gòu)。

納微半導(dǎo)體去年也推出了一款3.2kW數(shù)據(jù)中心電源平臺，功率密度接近100W每立方英寸，且效率超過96.5%。按照此前發(fā)布的路線圖，納微半導(dǎo)體今年還將發(fā)布一款全新的4.5kW電源平臺，將GaN技術(shù)和SiC技術(shù)結(jié)合，功率密度提升至135W每立方英寸以上，效率超過97%。

小結(jié)：

隨著數(shù)據(jù)中心大基建時代加速，數(shù)據(jù)中心能耗將受到更多關(guān)注，從發(fā)電端到綠色能源利用再到降低數(shù)據(jù)中心能耗，或許還將加速更多的新技術(shù)發(fā)展以及落地。