“硅芯片”一直是數據革命的支柱——實際上是推動者——無論是在 CPU、GPU、內存、網絡等的數據處理方面，還是在高壓交流電的電源轉換方面低至微處理器所需的 1V。問題在于，作為功率轉換平臺的硅已經達到其物理極限，現在是新半導體——氮化鎵 （GaN） ——取而代之的時候了。全球范圍內的 Si 到 GaN 數據中心升級將減少 30-40% 的能源損失，這將轉化為到 2030 年節省超過 100 TWh 和 125 Mtons 的 CO 2排放量。

數據中心整合——超大規模

隨著互聯網協議 （IP） 流量持續上升，規模經濟意味著數據中心正在整合為“超大規模”運營（圖 1）。這些設施是從頭開始建造的，因此與傳統或改造的電源解決方案無關。

圖 1：年度 IP 流量增加和“超大規模”數據中心的興起（思科）

服務器和電信架構的整合 – HVDC

讓我們看看數據中心的架構，以及 GaN 可以在哪些方面減少損失，從而節省資金和自然資源。對于服務器，這通常是空調房間中的AC 到 12 V DC，而對于傳統的低功能（例如僅語音）電信系統，這是遠程、潮濕的“蜂窩塔”，需要 AC 來“防腐蝕” ， 負參考 48 V DC用于備用電池。隨著流量的增加，大多數電信系統已經超出了原來的“僅基站”結構，現在處于類似的“干凈”環境中，因此 48V 可以作為正參考并使用類似的系統組件作為服務器。由于預測顯示從 2015 年到 2025 年僅 10 年數據流量就增加了 30 倍，預計這種趨勢將繼續下去。在整合方法中，我們還可以從交流配電向 400 V直流配電方法的過渡中受益，如圖 2 所示。

圖 2：將服務器 AC 和電信 48 VDC 架構整合到 400 VDC HVDC 系統中。［NTT］

為什么是氮化鎵？

鎵（Ga， 原子序數 31） 和氮 （N， 7） 結合成半導體材料 – 氮化鎵 （GaN） – 就像硅 （Si， 14）。GaN 是一種“寬帶隙”材料，因為它提供的電子帶隙比硅大 3 倍，這意味著它可以用非常小的芯片處理大電場。憑借更小的晶體管和更短的電流路徑，實現了超低電阻和電容，同時使開關速度提高了 100 倍。低電阻和低電容可轉化為更高的電源轉換效率，因此向 IT 負載提供更多功率。這意味著每瓦有更多的功能或“操作”，而不是將能量作為熱量燃燒掉，從而使系統變暖并產生額外的冷卻（空調）工作負載。此外，高速（頻率）開關意味著更小的尺寸和

GaN 作為功率元件構建塊的實用和高性能實施在集成解決方案中 - Navitas Semiconductor 的 GaNFast 功率 IC。在這里，GaN 電源 （FET）、驅動、控制和保護高度集成，以創建易于使用、高性能、高頻 （2 MHz） 的“數字輸入、電源輸出”構建塊。GaN 功率 IC 是第二次電力電子革命的催化劑。

圖 3：電力電子領域的兩次革命，新開關材料、集成、新磁性和新拓撲的“完美風暴”正在推動從學術界到工業界的轉變。每一次革命的結果都是開關頻率、效率、功率密度的顯著提高和成本的大幅降低。2014年Navitas Semiconductor的進入標志著GaN功率IC的推出。

“第二次革命”始于移動快速充電器市場，Anker、AUKEY 和 Belkin 等售后配件公司提供 30-100W 的單端口和多端口基于 GaN 的充電器。聯想、戴爾、小米、OPPO 和華碩等一級原始設備制造商隨后發布了高達 300W 的智能手機和筆記本電腦充電器。現已有超過 900 萬個 GaNFast 電源 IC 出貨，現場故障為零，設備現場工作時間超過 170 億小時。該可靠性數據是保守的“關鍵任務”數據中心市場采用氮化鎵的關鍵基礎。

在文章的第二部分，我們將介紹氮化鎵在多千瓦 AC-48V DC 中的使用，以及用于下游存儲、CPU、GPU 和內存負載的 400-48V （HVDC） 和 48-xV 的 DC-DC 轉換器在數據中心。

審核編輯：郭婷