隨著AI的驚人發展，支撐其運轉的數據中心的電力消耗量急劇攀升，這一嚴峻課題也日益突出。如何破解這一難題，已成為產業發展的關鍵。本文將聚焦羅姆SiC等功率器件及解決方案，并介紹其在革新服務器電源系統、助力數據中心提升算力與能效方面的核心內容。

AI的驚人發展為社會帶來巨大變革，同時也凸顯出一個嚴峻課題——支撐其運轉的數據中心，電力消耗量正急劇攀升。

為解決這一電力難題、助力日本引領AI時代，日本經濟產業省正大力推進名為“瓦特·比特構想”的國家戰略，旨在實現超節能型數據中心并在全國進行優化布局。

通過“瓦特·比特協同官民座談會”等平臺，日本經濟產業省正聯合電力、通信、數據中心、半導體等各行業力量，全力推動這一構想的實現。

1. AI是否將耗盡全球電力？

以ChatGPT為代表的生成式AI迅速普及，直接導致數據中心的電力消耗激增。復雜的AI模型在訓練與推理過程中需要龐大的計算資源，而這些資源由24小時不間斷運轉的數據中心高性能服務器提供支撐。

電力消耗的急劇增加不僅加重了地區環境的負荷，從穩定供電的角度來看也引發了擔憂。展望AI的進一步發展，傳統的電力供應體系正逐漸顯現出局限性。

在這種背景下，亟待解決的課題可歸納為三點：“節能化”“可再生能源的利用”“數據中心的區域分散布局”。要實現可持續社會，必須擺脫對化石燃料發電的依賴，將太陽能、風能等可再生能源發電視為電力供應的必要方式。

2. 可再生能源在數據中心領域的應用

如今，作為社會重要基礎設施的數據中心正迎來重大轉型期。

此前，受低延遲通信需求驅動，“城市型數據中心”多集中建設于東京等大都市圈，為金融、醫療健康、邊緣計算等對高速且低延遲的數據訪問有要求的服務提供支撐。但隨著AI普及帶來的用電量增加，以及從大規模災害時的業務連續性（BCP）角度考量，近年來數據中心向郊區分散的趨勢加速。

“郊外型數據中心”易于確保廣闊土地，適合引入太陽能、風能等可再生能源。此外，在電網容量充裕的地區可期待穩定供電；在氣候涼爽、水源豐富的地區，冷卻效率也會提升，進而降低運營成本。因此，郊外型數據中心在云托管、備份、災害恢復系統、大規模存儲等領域的應用不斷推進。

3. 服務器機柜會持續增加嗎？

無論是難以確保場地的“城市型”數據中心，還是易于獲取廣闊土地的“郊外型”數據中心，其服務器安置空間都存在局限。

因此，當前用于存放服務器的機柜，正朝著能高效容納更多高性能服務器的“高密度AI服務器機柜”方向演進。

相較于數據中心整體服務器機柜總數的大幅增長，未來更可能呈現“高密度化”趨勢：通過增加單個機柜中搭載的CPU、GPU及其他功能板卡，在有限空間內大幅提升單機柜計算能力，從而釋放最大性能。

形象地說，即便外觀相同的服務器機柜，其內部的容納能力也可能提升數倍。

這種高性能化、高密度化對電力供應機制提出了重大變革需求。傳統的多級電力轉換存在較大功率損耗，已難以實現高效供電。因此，未來將推進減少電力轉換步驟、推進高壓直流（HVDC）等技術革新，而SiC和GaN功率半導體的有效利用也將變得不可或缺。以ROHM為代表的各企業，正致力于相關技術研發，為這一電源系統的重大變革提供支持，助力數據中心實現整體節能與高性能化。

4. 當前的電源系統還能滿足需求嗎？

高性能AI服務器（尤其是GPU）的功耗急劇增加，正迫使現有數據中心的電源架構（供電設計）進行根本性重構。原因在于，當前的多級電力轉換存在較大轉換損耗，已難以實現高效供電。

當前數據中心的供電流程為：高壓交流電（AC）輸入后，通過多臺變壓器和整流器逐步降壓，最終轉換為服務器所需的低壓直流電（DC）。但是，這種多級轉換會在每個步驟產生功率損耗，導致效率下降。

為此，數據中心未來將以電力轉換效率提升和可靠性提升為目標，推進以下變革：

減少電力轉換步驟

目前已出現整合多個轉換步驟的趨勢，例如從高壓交流電（AC）直接轉換為直流電（DC），或從高壓直流電一次性降壓至服務器所需電壓。通過大幅減少電力轉換步驟，可將轉換損耗降至最低水平，提升系統整體效率并降低故障風險。

支持高壓輸入/高壓直流（HVDC）電源

服務器機柜的輸入電壓正從傳統的12VDC、48VDC等低電壓向400VDC甚至800VDC（或±400VDC）等高電壓過渡。提高電壓可降低電力傳輸時的電流，從而實現母線輕量化。

另外，不采用交流電，而是以高壓直流電直接為服務器機柜供電的“HVDC”系統正逐步推廣。HVDC可減少AC/DC轉換器的數量，實現更靈活的電力調控與雙向輸電，并更容易適用可再生能源。

固態變壓器（SST，Solid State Transformer）的發展

變壓器設備有望從傳統變壓器向采用半導體技術的SST（Solid State Transformer）演進。與傳統設備相比，SST被認為是一種能夠顯著推動小型化的技術方案。

SiC/GaN功率半導體需求增長

要實現高效高壓電源系統，就需要傳統硅（Si）半導體難以企及的性能。因此，SiC和GaN功率半導體成為必然選擇。它們在高壓輸入條件下仍能實現低損耗、高頻運行和高溫工作，非常有助于電源系統的小型化與效率提升。

此外，不僅電源系統，服務器機柜內的各類設備也在向多功能化、高性能化發展，這將有助于進一步提升能效。

ROHM也在加速面向下一代服務器的解決方案研發，除了利用“EcoSiC?系列”“EcoGaN?系列”“EcoMOS?系列”等技術的現有產品（如SiC/GaN/Si IGBT、隔離型柵極驅動器、冷卻風扇驅動器、SSD用PMIC、HDD用復合電機驅動器）外，還計劃開發大電流LV MOS、隔離型DC-DC、SoC/GPU用DC-DC、eFuse等產品。

*EcoSiC?、EcoGaN?、EcoMOS?均為ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。

為應對市場變革，ROHM在深度優化現有產品群性能的同時，正積極推進以SiC和GaN為核心的功率半導體創新產品研發，以靈活響應新的市場需求。通過這些舉措，ROHM將為從數據中心末端的服務器機柜到整個系統，提供高耐壓、高效率的元器件，為下一代電源系統提供支撐。

5. 滿足下一代 AI 數據中心要求的功率半導體是什么樣的？

高壓大電流場景適用SiC器件

SiC器件在需要高電壓大電流的領域具備顯著優勢。

如前所述，隨著服務器機柜輸入電壓向高壓演進，傳統54V機柜電源系統除面臨物理空間限制外，還存在用銅量過高、功率轉換損耗等問題。

為此，在下一代數據中心電源系統中采用ROHM的SiC MOSFET，可使其在高電壓、高功率條件下發揮出優異性能，通過降低開關損耗及導通損耗實現效率提升，并實現滿足緊湊、高密度系統要求的高可靠性。

這不僅能將能耗降到更低，還有助于削減用銅量，簡化數據中心整體的功率轉換過程。

高效化、小型化場景適用GaN器件

SiC適用于高電壓大電流場景，而GaN則在100V~650V范圍內性能優勢顯著，可實現優異的介電擊穿強度、低導通電阻和超高速開關特性。

AI服務器比通用服務器處理的數據量更大，需運行高性能GPU、大容量存儲器及高性能軟件。因此耗電量更多，散熱與冷卻也更為重要。

在電源模塊中使用可實現高速開關（高頻運行）的GaN HEMT，能夠最大限度降低功率損耗。功率轉換效率的大幅提升有望帶來節能效果，從而降低運營成本并減輕環境負荷。

此外，具有高電流密度的GaN器件與傳統硅器件相比，體積可減小約30%~50%，便于為電源模塊、充電器等設備預留空間，同時簡化散熱設計。

而且，通過單元小型化，可利用節省出的空間，減輕冷卻系統負擔，進而有助于減小系統整體的體積并提高其可靠性。加之GaN器件耐久性高且適用于高頻應用，因此被視為數據中心的理想選擇。

ROHM通過采用能進一步提升GaN器件開關性能的自有Nano Pulse Control?技術，成功將脈沖寬度縮短至最小2ns。作為EcoGaN?系列，除150V和650V的GaN HEMT、柵極驅動器外，還包括整合了上述器件的Power Stage IC等產品，為滿足AI數據中心對小型、高效電源系統的需求，ROHM正在不斷擴充相關產品陣容。

*Nano Pulse Control?為ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。

6. 總結

AI的進化從未停止，隨之而來的電力需求增長已成為不可回避的現實。

據IEA（國際能源署）預測，未來五年全球數據中心的電力需求較當前增長一倍以上，達到約9,450億kWh，其中半數將由太陽能、風能等可再生能源提供。這明確表明，在耗電量巨大的數據中心領域，光伏發電（PV）、儲能系統（ESS）等可再生能源市場正在快速崛起。

為應對這一課題，日本政府正以國家戰略“瓦特·比特構想”為框架，通過官民協同機制推進多維度解決方案，包括提升電力系統效率、最大化利用可再生能源、優化數據中心布局等。

ROHM以SiC、GaN器件等先進功率半導體技術為核心，擁有可實現高效電源系統及適配高壓輸入的豐富產品群。同時，為滿足下一代AI數據中心的需求，正積極投入新產品研發。我們將通過這些技術，為以更環保、可持續的方式實現AI帶來的美好未來貢獻力量。