GaN將在數(shù)據(jù)服務(wù)器中挑起效率大梁

雖然增加可再生能源是全球的大趨勢，但這還不夠，能源效率是另一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，這是因?yàn)榉?wù)器及其冷卻系統(tǒng)對能源消耗，占據(jù)了數(shù)據(jù)中心將近40%的運(yùn)營成本。GaN具有獨(dú)特的優(yōu)勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數(shù)據(jù)中心的配電和轉(zhuǎn)換、節(jié)能、減少對冷卻系統(tǒng)的需求，并最終使數(shù)據(jù)中心更具成本效益和可擴(kuò)展性。

數(shù)字化和云端服務(wù)的快速建置推動(dòng)了全球數(shù)據(jù)服務(wù)器的產(chǎn)業(yè)規(guī)模的成長。今天，數(shù)據(jù)服務(wù)器消耗了全球近1%的電力，這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)會(huì)不斷的成長下去。次世代的產(chǎn)業(yè)趨勢，例如虛擬世界、增強(qiáng)實(shí)境和虛擬現(xiàn)實(shí)，所消耗大量電力將遠(yuǎn)超現(xiàn)今地球上所能生產(chǎn)的能源。在21世紀(jì)初，Rack或Blade服務(wù)器PSU的功率規(guī)模在200~300W左右，而當(dāng)時(shí)CPU的功耗則為30W至50W之間(圖一)。

雖然增加可再生能源是全球的大趨勢，但這還不夠，能源效率是另一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，這是因?yàn)榉?wù)器及其冷卻系統(tǒng)對能源消耗，占據(jù)了數(shù)據(jù)中心將近40%的運(yùn)營成本。另一方面，數(shù)據(jù)服務(wù)器的耗能標(biāo)準(zhǔn)也朝向更高的效率發(fā)展。開放運(yùn)算計(jì)劃（OCP）3.0就是為了降低能耗的硬件，所提供進(jìn)一步的優(yōu)化規(guī)范，包括80 Plus白金和鈦認(rèn)證，以及歐盟的歐洲生態(tài)設(shè)計(jì)（ErP）第9批法規(guī)也在積極地被討論中。

 
圖一 : CPU的功耗趨勢。（source：NATIONAL ACADEMY）

服務(wù)器對電源的需求，5年將成長3倍
目前許多服務(wù)器設(shè)計(jì)正從Rack的48V隔離、調(diào)節(jié)式的DC/DC變壓器轉(zhuǎn)換為非隔離、未調(diào)節(jié)的48V DC/DC。服務(wù)器內(nèi)部的空間非常寶貴，尤其是那些為了執(zhí)行高階運(yùn)算功能而設(shè)計(jì)的服務(wù)器，對功率的要求也越來越高。同時(shí)部分GPU對電源轉(zhuǎn)換更有著額外的要求，例如在某些工作條件下需要0.6V的電壓。

這些嚴(yán)格的功率要求使得基本的功率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)必須改變，因此在電路空間有限下，高功率密度架構(gòu)成為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的目標(biāo)。

以今天的主流來看，服務(wù)器CPU的功耗約為200W，散熱設(shè)計(jì)功率也接近到了300W，因此服務(wù)器PSU的功率規(guī)模將被大幅度的增加到800~2000W。更進(jìn)一步，為了滿足越來越多例如云端運(yùn)算、AI運(yùn)算等的服務(wù)器計(jì)算要求，使得服務(wù)器必須支持GPU與CPU協(xié)同作業(yè)，預(yù)計(jì)5年內(nèi)，服務(wù)器的電力需求將增加到3000W以上，甚至在不久的將來，數(shù)據(jù)中心PSU的功率更將大幅增加到5000W以上。

自2004年以來，以80 Plus標(biāo)準(zhǔn)為PC和服務(wù)器電源供應(yīng)系統(tǒng)提供了80%以上效率的認(rèn)證。目前量產(chǎn)的服務(wù)器電源大多能達(dá)到80 Plus Gold（>92%效率）的要求，有些甚至可以達(dá)到80 Plus Platinum（>94%效率）的要求。而接下來正在開發(fā)更高的80 Plus Titanium規(guī)格的服務(wù)器PSU，該規(guī)格要求在半負(fù)載下達(dá)到96%以上的峰值效率(表一)。

表一：各種80 Plus規(guī)格 (230V Internal Redundant)。（source：CLEAResult）

另外，根據(jù)數(shù)據(jù)中心電源供應(yīng)系統(tǒng)所遵循的OCP開放機(jī)架(Open-Rack)規(guī)范，電源供應(yīng)系統(tǒng)需要達(dá)到97.5%以上的峰值效率。因此，需要新一代的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如無橋式功率因素校正（PFC）和軟切換式變壓器，以及碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料技術(shù)所量產(chǎn)的電源管理用芯片，都將幫助PSU實(shí)現(xiàn)80 Plus Titanium和開放運(yùn)算的效率目標(biāo)。

半導(dǎo)體的過去和現(xiàn)在：從鍺到硅到化合物
半導(dǎo)體組件的歷史可以追溯到1950年左右推出的點(diǎn)接觸電晶體。鍺是當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要材料，但在后來，具有更優(yōu)異特性的硅取代了鍺，并一直被廣泛使用到今天。伴隨著半導(dǎo)體制造設(shè)備的精密度提升，和組件結(jié)構(gòu)、晶圓制程的優(yōu)化下，硅半導(dǎo)體產(chǎn)品也在不斷發(fā)展，促進(jìn)了我們?nèi)粘Ｉ钪须娮赢a(chǎn)品的小型化和先進(jìn)化。

但是面對今天對于高效半導(dǎo)體的需求，硅基材料已經(jīng)無法滿足所有的架構(gòu)特性，特別是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，物理特性大大超過硅基半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體，因此在過去的幾年中，化合物半導(dǎo)體元的件開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)取得了相當(dāng)程度的進(jìn)展。

 
圖二 : SiC/GaN組件將逐漸跨大其應(yīng)用范圍。（source: Sanken Electric；作者整理）

硅是一種相當(dāng)普遍的單一化學(xué)物質(zhì)；相反，SiC是碳與硅的混合物，而GaN則是鎵與氮的混合物。由于這個(gè)原因，使用這些混合材料生產(chǎn)的半導(dǎo)體就被稱為「化合物半導(dǎo)體」，或是「次世代半導(dǎo)體」。

SiC化合物半導(dǎo)體
SiC是一種利用碳材料來代替一半硅的化合物，其晶體結(jié)構(gòu)卻比單晶硅更穩(wěn)定。因此，SiC可以提供較高的介電擊穿場強(qiáng)，可以大幅薄化活性層。讓組件具有更高的擊穿電壓特性，和比傳統(tǒng)硅組件更低的損耗。作為硅IGBT的替代品，SiC在大電流和高耐壓領(lǐng)域越來越受歡迎。具體來說，有望在10kW或更大功率應(yīng)用被廣泛采用，同時(shí)在制造更小、更輕的系統(tǒng)方面也有很大的優(yōu)勢，例如功率調(diào)節(jié)器、電源管理系統(tǒng)等(圖三)。

 圖三 : Planer MOSFET的結(jié)構(gòu)。盡管Si和SiC的 MOSFET結(jié)構(gòu)幾乎相同，但SiC的傳導(dǎo)損耗卻相當(dāng)?shù)汀?source：Dempa；作者整理)

第2代和第3代 MOSFET制程技術(shù)都為平面式，由于結(jié)構(gòu)非常簡單，因此具有制程相當(dāng)簡單、低成本，和高可靠性的特點(diǎn)。因此透過采用SiC材料，可使得第3代MOSFET可擁有最低的傳導(dǎo)損耗。

GaN化合物半導(dǎo)體
GaN的最初是被應(yīng)用于藍(lán)光LED和雷射二極管。后來逐漸被擴(kuò)大到通訊用射頻，甚至現(xiàn)在越來越多的功率轉(zhuǎn)換電路都可以看到GaN 的身影。

使得愈來愈多的業(yè)者積極投入GaN半導(dǎo)體制程的研發(fā)，因此GaN功率組件已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中成長最快的類別。根據(jù)TrendForce的資料預(yù)計(jì)， 2021年GaN功率組件市場規(guī)模將達(dá)到8300萬美元，同期比成長高達(dá)73%。

雖然功率組件普遍被認(rèn)為低調(diào)地存在各種系統(tǒng)電源管理電路之中，但實(shí)際上卻是掌握著電源管理關(guān)鍵的重要組件。例如，低電阻和電容可以提高功率轉(zhuǎn)換效率，為數(shù)據(jù)服務(wù)器的工作負(fù)載提供更多功率。而不是產(chǎn)生更多的熱量，因?yàn)檫@將增加數(shù)據(jù)中心的冷卻需求。而低電阻和電容可讓每瓦執(zhí)行更多的數(shù)據(jù)服務(wù)器操作。此外，由于每個(gè)開關(guān)周期儲(chǔ)存的能量減少，和高速頻率開關(guān)，更能大幅度減少儲(chǔ)電被動(dòng)組件的尺寸和重量。因此化合物半導(dǎo)體在服務(wù)器電源管理的寄予厚望，期待帶來具有突破性的效能提升。

在有限的空間內(nèi) 透過功率密度提高性能
與SiC相比，GaN具有更穩(wěn)定的鍵合結(jié)構(gòu)，雖然擊穿電壓不能像SiC組件那樣高，但卻適用于高頻領(lǐng)域。透過高頻率下開關(guān)，可縮小電感和其他外圍組件。

電子系統(tǒng)對功能的需求增加往往超過可用能量。這需要提高在額定外形尺寸（或功率密度）下處理的功率量，當(dāng)然可以透過更高的效率和開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)。不過，因?yàn)镚aN材料功率芯片的出現(xiàn)，電源設(shè)計(jì)人員樂于透過這樣的組件，將更多功率壓縮到更小的空間中，來提高效率并改善熱性能。因此電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相當(dāng)樂于將GaN應(yīng)用在電源等方面，透過更高的密度和效率來提升效能。

GaN繼續(xù)擴(kuò)展在云端服務(wù)器上高速通訊的應(yīng)用
就如上述，得力于透過GaN技術(shù)的進(jìn)步，再加上電磁學(xué)和散熱管理方面的改進(jìn)，使得高效能的這個(gè)目標(biāo)得以加速實(shí)現(xiàn)。圖四是最新版本的48 - 12 V非調(diào)控DC/DC的布局和物理結(jié)構(gòu)。利用所有三個(gè)尺寸將變壓器置于主動(dòng)電路的頂部，這樣可以節(jié)省空間，并減少電阻損失。并且峰值效率達(dá)到98%，另外加上有效的散熱管理，使這個(gè)尺寸為22.8mm × 17.5mm × 7.5mm的微型變壓器能夠提供高達(dá)1 kW的功率。

 
圖四 : 1kW 48V–12V LLC 變壓器。（source：Data Center Dynamic）

為了實(shí)現(xiàn)AIoT應(yīng)用，需要更快的射頻功率放大器應(yīng)用在云端服務(wù)器上，以及由傳感器、執(zhí)行器和微控制器組成的網(wǎng)絡(luò)邊緣，此外，這些功能中的每一個(gè)關(guān)鍵性IC，更能將異構(gòu)整合到特定應(yīng)用的系統(tǒng)中。

和電源電路一樣，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，由GaN和GaAs制成的射頻功率放大器也具有許多性能優(yōu)勢，例如更高的開關(guān)速度、低R DS(ON)帶來的更低的電流損耗，以及更高的功率密度。采用GaN技術(shù)制造射頻功率組件，不僅可提供高功率密度和良率，更可以在高電壓和在255℃??下下操作超過100萬小時(shí)。

GaN將是下一代游戲規(guī)則改變者
數(shù)據(jù)服務(wù)器是當(dāng)今技術(shù)世界不可或缺的一部分。隨著云端運(yùn)算和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等新技術(shù)和工作負(fù)載的廣泛采用，數(shù)據(jù)服務(wù)器的壓力越來越大，而且這種趨勢預(yù)計(jì)只會(huì)持續(xù)下去。

相信接下來這一挑戰(zhàn)的解決方案將由GaN來擔(dān)任，GaN具有獨(dú)特的優(yōu)勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數(shù)據(jù)中心的配電和轉(zhuǎn)換、節(jié)能、減少對冷卻系統(tǒng)的需求，并最終使數(shù)據(jù)中心更具成本效益和可擴(kuò)展性。

GaN是下一代半導(dǎo)體。并且隨著GaN在集成電路和晶體管中的性能和潛在能力相當(dāng)高，全球業(yè)者已經(jīng)投入大量的資源進(jìn)行開發(fā)，毫無疑問，GaN半導(dǎo)體將是技術(shù)和電子產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)游戲規(guī)則改變者。