本文將聚焦AI對(duì)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的影響，以及這些變化對(duì)服務(wù)器和機(jī)架技術(shù)的意義。具體而言，我們將探討轉(zhuǎn)向48V架構(gòu)如何提升數(shù)據(jù)中心能效，以及高性能硅基MOSFET如何應(yīng)用于服務(wù)器、機(jī)架及相關(guān)設(shè)備以支持這一架構(gòu)演進(jìn)。

數(shù)據(jù)中心與電力

當(dāng)前數(shù)據(jù)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(shí)全球數(shù)據(jù)中心的整體用電量將與當(dāng)今印度全國(guó)的電力消耗規(guī)模相當(dāng)。

AI需求的激增是推動(dòng)這一預(yù)測(cè)的主因。大多數(shù)AI工作負(fù)載在GPU上運(yùn)行效率更高，而運(yùn)行AI工作負(fù)載的GPU功耗也顯著增加。二者共同產(chǎn)生的廢熱大幅上升，需要更龐大的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致電力消耗進(jìn)一步增加。

要滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)預(yù)期的電力需求，全球需要巨額投資建設(shè)大量新發(fā)電廠。這也解釋了為何提升數(shù)據(jù)中心能效變得前所未有的緊迫。

數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)演進(jìn)

行業(yè)提升能效的關(guān)鍵舉措之一是從12V中間總線電壓轉(zhuǎn)向48V供電架構(gòu)。

單個(gè)機(jī)架通常容納四臺(tái)及以上服務(wù)器。當(dāng)前配置CPU的服務(wù)器機(jī)架功耗約為3-5kW，而滿載高性能GPU和AI加速器的機(jī)架功耗可達(dá)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(dǎo)致電阻上升(P=I2R)，造成傳輸損耗加劇。恰與此對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)中心的電流預(yù)計(jì)將持續(xù)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(shù)據(jù)中心向48V架構(gòu)的轉(zhuǎn)型已于數(shù)年前啟動(dòng)。

當(dāng)交流電進(jìn)入機(jī)架后，會(huì)經(jīng)過多次交直流轉(zhuǎn)換和降壓：先降至48V，再到12V或6V，最終調(diào)整為滿足各類處理器(CPU/GPU/TPU)所需的精確電壓(通常約1VDC)。優(yōu)化這一過程的每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)最小化能量損耗至關(guān)重要，而這正是高性能MOSFET大顯身手之處。

MOSFET的關(guān)鍵作用

MOSFET是實(shí)現(xiàn)高效電能轉(zhuǎn)換的核心元件，貫穿從208-277VAC輸入到最終1V以下的整個(gè)降壓過程，涉及機(jī)架至電路板再到芯片的各級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)。其在AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)同樣不可或缺。

MOSFET廣泛應(yīng)用于供電系統(tǒng)及多個(gè)機(jī)架/服務(wù)器子系統(tǒng)，包括：

· 開關(guān)電源(SMPS)

· 電源單元(PSU)

· 中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)

· 負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(POL)

· 電池備份單元(BBU)

電力設(shè)計(jì)慣例要求MOSFET的耐壓值高于標(biāo)稱電壓，因此48V中間總線需采用25-650V MOSFET。電網(wǎng)電力進(jìn)入數(shù)據(jù)中心后首先通過SMPS(通常為效率>97%的鈦金級(jí))，這類高效能設(shè)備已成為行業(yè)標(biāo)配。

電源單元(PSU)

典型機(jī)架電源層配備6個(gè)PSU。MOSFET在PSU中用于：

· 功率因數(shù)校正(PFC)

· 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)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(jié)MOSFET或CoolSiC?碳化硅MOSFET)用于PFC和DC/DC原邊。LLC是DC/DC轉(zhuǎn)換最常用拓?fù)?，其副?a target="_blank">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(dǎo)通電阻顯著提升系統(tǒng)效率。

除極致能效外，PSU設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器(IBC)

每個(gè)機(jī)架包含大量計(jì)算機(jī)托盤和交換托盤。IBC需將48V電源轉(zhuǎn)換為機(jī)架內(nèi)各子系統(tǒng)所需的多級(jí)電壓：

· 首級(jí)轉(zhuǎn)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(jí)POL轉(zhuǎn)換器(GPU板載)通常采用25V MOSFET，根據(jù)處理器需求降至1V左右

當(dāng)前AI加速模塊功率已超750W(0.75V核心電壓下電流達(dá)1000A)。當(dāng)主板搭載8個(gè)此類模塊時(shí)，功率等級(jí)與熱管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

IBC配置需考慮：

· 散熱方案(風(fēng)冷/液冷)

· 質(zhì)量與可靠性平衡(實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(yōu)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(dǎo)通電阻和優(yōu)異品質(zhì)因數(shù)，特別適合高頻開關(guān)應(yīng)用。

電池備份與熱插拔

每個(gè)服務(wù)器機(jī)架的BBU都需MOSFET支持，電池管理系統(tǒng)和內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用80V/100V MOSFET。

MOSFET在熱插拔子系統(tǒng)中的保護(hù)作用同樣關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心需實(shí)時(shí)更換故障板卡或升級(jí)硬件，100V MOSFET(如英飛凌OptiMOS? 5 Linear FET 2)為此提供可靠保護(hù)。

封裝技術(shù)演進(jìn)

隨著應(yīng)用需求日益嚴(yán)苛，器件封裝對(duì)性能的影響不容忽視。MOSFET導(dǎo)通電阻(RDS(on))由硅芯片電阻(Rsi)和封裝電阻(Rpack)構(gòu)成。隨著硅工藝進(jìn)步，Rsi持續(xù)降低，使得Rpack在總電阻中的占比日益顯著。

英飛凌在封裝領(lǐng)域保持領(lǐng)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(jìn)封裝還能：

· 降低寄生電感，提升開關(guān)性能(對(duì)高開關(guān)頻率的AI服務(wù)器至關(guān)重要)

· 提高額定電流能力，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)功率持續(xù)增長(zhǎng)的需求

總結(jié)

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理同等重要的工程挑戰(zhàn)。

能效優(yōu)化必須從分立元件貫穿至系統(tǒng)級(jí)。數(shù)據(jù)中心規(guī)模決定了即使微瓦級(jí)的節(jié)能，通過規(guī)模化復(fù)制也能產(chǎn)生顯著效益——MOSFET的選擇同樣舉足輕重。