在我們現在的日常生活中，每天都有不斷增長的數據被產生、存儲及服務，而社交網絡、在線視頻、物聯網設備和汽車高級駕駛員輔助系統(ADAS)則是這些數據尤其主要的貢獻者。以ADAS為例，數據存儲咨詢公司Coughlin Associates預計自動駕駛汽車每秒將產生GB的數據。盡管我們距離完全依賴自動駕駛汽車技術仍需很長一段時間，但寶馬、福特和豐田等汽車制造商已紛紛計劃著如何管理和支持未來的數據中心。

與此同時，數據中心已消耗了全球2%的功率，據預測這一數值可能會達到5%。雖然它們比過去十年更高效更節能，但采取措施大幅度提高效率降低能耗仍是迫在眉睫。

GaN(氮化鎵)電源轉換技術為設計高效且緊湊的服務器電源提供最佳選擇，它產生的系統成本和節能優勢可以使現有數據中心處理更大量的數據，一定程度上減少了建設新數據中心的需求。

數據中心的效率

新興的應用包括物聯網(工業物聯網，萬物互聯等)以及常規可生成萬億字節數據的自動駕駛汽車，它們通常會生成太字節的數據，這意味著新的服務器安裝必將呈指數級增長。與此同時，國家資源保護委員會(NDC)的研究表明：許多小型、中型企業和多租戶數據中心實際上浪費了它們所消耗的大部分能源。因此，必須提高服務器群的效率以便最大限度地利用現有設施，同時應對新擴建項目的需求。

數據中心最大的費用是運行服務器的電力消耗，可能高達總成本的40%，但這些電能中通常約有5-10%會被浪費。此外，到2020年數據中心能耗預計將增加到每年大約1400億千瓦時，這將需要17個新發電廠，其年產量相當于美國企業每年130億美元的電費，而產生近1.5億公噸的碳排放量。

使用GaN替代Si晶體管進行電源設計的進展使這一能源使用預測減少了幾個百分點。除了節能效益外，這些技術的進步還可以使使用更少、更小的電源轉換為更少的數據中心，如圖1所示。GaN Systems公司首席執行官Jim Witham在一場關于數據中心效率的討論中解釋了節省空間的好處：“如果您可以使服務器電源更小，那么便可以使用更少的空間進行電源轉換，并將更多服務器放在同一空間內。如果您將更多服務器放在同一空間中，那么便可以更好地使用資產。這對于數據中心經理來說，他們每平方米的容量會增加很多。我們在數據中心看到了10倍的增長，您也可以推遲實際花錢建立一個新的數據中心(通過使用更高效的電源)。”

圖1.使用GaN改善電源系統意味著更多的機架空間

GaN的優勢

在當今的數據中心中，典型的最先進的服務器電源效率徘徊在96%左右。增加這個數字通常涉及優化控制方法、拓撲以及磁性元件，但是進一步提高效率最接近的解決方案是從傳統的Si器件轉變為GaN。例如，采用Si MOSFET技術的典型電源具有94-96%的效率。一半的功率損耗發生在電源功率因數校正(PFC)階段，另一半則在電源功率轉換部分消耗了。 基于最先進MOSFET的工業標準半無橋PFC效率高達97.5%。相比之下，由于GaN器件的固有特性，可以采用更先進的圖騰柱拓撲結構PFC，并且只需1%的功率損耗即可實現這一關鍵功能，圖騰柱設計還將總組件數量減少了30%，如圖2所示。

圖2.GaN橋接技術與Si MOSFET相比具有相當大的效率優勢

電源制造商采用GaN器件的挑戰和回報是實現更快的開關元件。由于功率轉換系統的大部分低效率是“開關損耗”導致的，因此GaN器件與開關速度慢的MOSFET相比有效率優勢。 此外，更高的開關速度大大減小了磁性元件和電容電路元件的尺寸。

GaN器件對數據中心的影響

數據中心的能耗是功率損耗和冷卻的復雜組合。在一般的數據中心中，當電流從電網輸運至單個服務器的微處理器時需經過多重功率轉換，大約30%的功率會因轉換效率低下而損耗，所有這些能量產生的熱量必須被移除，以保持數據中心正常運行。

圖3.GaN可以將數據中心的總體效率提高到84%

GaN器件用于從交流到直流的功率轉換，然后用于轉換負載的直流電壓，可以將Si器件的整體效率從77%提高到接近84%，如圖3所示。根據一級數據中心運營商GaN Systems的研究，GaN器件可以將每個機架的能源成本降低2,300多美元，使運營成本節省超過2.4億美元。如果該運營商的電力密度增加25%以上，將增加14億美元的服務器以及存儲器收益機會，而延遲數據中心建設將推遲近11億美元的資本支出。

結論

即將到來的大量數據正在推動可擴展、高效和靈活的數據中心基礎設施的需求。采用GaN器件的電源系統可提供更高的功率轉換效率，對這種高性能技術的投資意味著通過創建更小、更輕、成本更低、效率更高的電力系統，提高能源和空間效率。GaN技術將使數據中心運營商不僅重新構想自己的業務，而且最終在改變能源和數據相關的世界中發揮作用。