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          AI時代的數(shù)據(jù)中心成吃電巨獸,氮化鎵會是能效救星嗎?

          作者: 時間:2023-10-17 來源:科技新報 收藏

          數(shù)位經(jīng)濟(jì)正經(jīng)歷一場由兩大趨勢驅(qū)動的巨大變革,即時數(shù)據(jù)分析的龐大需求為其一,另一則是生成式人工智能(Generative )的快速發(fā)展。一場激烈的生成式競賽正如火如荼的進(jìn)行中,科技巨頭如亞馬遜(Amazon)、谷歌(Google)、微軟(Microsoft)皆大舉投資生成式的研發(fā)創(chuàng)新。根據(jù)彭博智庫(Bloomberg Intelligence)預(yù)測,生成式AI市場將以42%的年增率成長,從2022年400億美元市值,于10年內(nèi)擴(kuò)大至1.3兆美元。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202310/451619.htm

          在AI的蓬勃發(fā)展下,對電力與運(yùn)算的需求呈正比成長,激增的用電量不僅對營運(yùn)效率造成壓力,更成為達(dá)成凈零排放目標(biāo)的阻礙。當(dāng)前所采用的電力轉(zhuǎn)換及分配技術(shù),已難以滿足來自云計(jì)算及機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)算需求,面對更龐大能源的生成式AI應(yīng)用,數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商正急迫地尋找創(chuàng)新電力解決方案。

          (GaN)功率半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生,成為數(shù)據(jù)中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。接下來的文章將進(jìn)一步探討生成式AI對數(shù)據(jù)中心帶來的挑戰(zhàn)、功率器件的優(yōu)勢,最后分析業(yè)界普遍使用的“電源使用效率(Power Usage Effectiveness, PUE)”指標(biāo)中所存在的漏洞,這些洞察皆將指向一個結(jié)論,功率元件在數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將加速落地。

          生成式AI對數(shù)據(jù)中心的沖擊將加劇

          面對數(shù)據(jù)量爆炸,依傳統(tǒng)工作負(fù)載量所規(guī)劃的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)正面臨巨大壓力。全球數(shù)據(jù)量每兩年便翻漲一倍,處理、儲存這些龐大數(shù)據(jù)的服務(wù)器,需要大量的能源及水資源來維持運(yùn)作。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測,在未來五年內(nèi),光是位于美國地區(qū)的數(shù)據(jù)中心便將新增39GW的用電量,相當(dāng)于3200萬的家庭一年的用電量。

          生成式AI帶來破壞式創(chuàng)新與商機(jī),但隨之而來的能源需求也是前所未有。一篇研究文章指出,訓(xùn)練最新一代的生成式AI模型,較上一代模型高出十至百倍。生成式AI應(yīng)用主要的能耗來自于兩方面,一是訓(xùn)練構(gòu)成生成式AI系統(tǒng)核心的大型語言模型(LLMs)時需要的能源,另外便是大型語言模型運(yùn)作時的能耗。

          生成式AI的用電量高的難以置信,假設(shè)每次Google搜索需耗費(fèi)相當(dāng)于一個100瓦燈泡發(fā)光11秒鐘的電量,如今當(dāng)紅的生成式AI應(yīng)用工具ChatGPT 每回答一個問題的用電量,竟比Google搜索高出50-100倍。面對突增的電力需求,升級數(shù)據(jù)中心架構(gòu)迫在眉睫,數(shù)據(jù)中心業(yè)者更直言接下來4年數(shù)據(jù)中心在升級設(shè)備的花費(fèi)預(yù)估將高達(dá)1兆美元。

          雖然如浸沒式冷卻、人工智能優(yōu)化方案、廢熱再利用等新興技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn),但這些方案皆無法從根本解決問題。由于基于硅開發(fā)的功率元件效率低落,現(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心高度依賴?yán)鋮s系統(tǒng)來維持安全的運(yùn)作溫度,因此兼具能效、尺寸優(yōu)勢及輸出功率的電力解決方案正是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心急迫所需。

          氮化鎵具無可匹敵的效率與性能

          相較傳統(tǒng)電源供應(yīng)器,基于氮化鎵功率元件設(shè)計(jì)的電源供應(yīng)器,能實(shí)現(xiàn)超群的性能與效率,在生成式AI應(yīng)用不斷升級下,成為數(shù)據(jù)中心理想選擇。憑借更快的開關(guān)速度及卓越的輸入和輸出品質(zhì)因數(shù)(Figures of Merit),氮化鎵實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢,帶來超越鈦金級的能效表現(xiàn),并大幅提高功率密度。

          氮化鎵電晶體為電源設(shè)備帶來更高的效率水準(zhǔn),效率提高代表能源損耗減少,設(shè)備也能減少過熱情形。舉例來說,在典型數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中,基于氮化鎵設(shè)計(jì)的電源供應(yīng)器每年可為每10個機(jī)架增加300萬美元的營收,減少100公噸的二氧化碳排放量,省下13000美元的運(yùn)營支出。當(dāng)生成式AI對電力需求持續(xù)攀升、且每機(jī)架的功率密度提升至2-3倍時,這些氮化鎵所帶來的優(yōu)勢將更顯著。

          你也許會好奇,氮化鎵的所帶來的好處如此顯而易見,但為什么數(shù)據(jù)中心業(yè)者沒有立即轉(zhuǎn)用這項(xiàng)技術(shù)?廣受數(shù)據(jù)中心使用的PUE指標(biāo)中有一項(xiàng)經(jīng)常被忽視的盲點(diǎn),也就是我們所稱“能耗指標(biāo)漏洞( PUE Loophole )”,這便是氮化鎵技術(shù)普及受限的主因。

          什么是能耗指標(biāo)漏洞

          PUE代表IT設(shè)備負(fù)載耗電量占總耗電的比例,普遍作為評估數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)。密切監(jiān)控并持續(xù)改善PUE對數(shù)據(jù)中心運(yùn)營優(yōu)化十分重要,降低PUE代表減少用電量,進(jìn)而減少運(yùn)營成本及環(huán)境沖擊。

          然而,PUE僅計(jì)算了電力傳輸至服務(wù)器的效率,卻忽略了服務(wù)器中電力轉(zhuǎn)換間的能源損耗,這便是能耗指標(biāo)漏洞,數(shù)據(jù)中心以PUE作為評估整體運(yùn)營成效時會產(chǎn)生的盲點(diǎn)。

          這個盲點(diǎn)造成當(dāng)前許多服務(wù)器仍采用效率僅有90%甚至更低的AC-DC轉(zhuǎn)換器,這代表了每次AC-DC能源轉(zhuǎn)換間,有10%的能源在轉(zhuǎn)換中被浪費(fèi)了,這不但增加了電費(fèi)成本及碳排放量,被浪費(fèi)的能源同時以熱的方式排出,進(jìn)而提升數(shù)據(jù)中心對額外冷卻系統(tǒng)的需求,冷卻系統(tǒng)也是另一個非常耗電的設(shè)備。

          氮化鎵功率半導(dǎo)體將為這個挑戰(zhàn)帶來轉(zhuǎn)機(jī),為數(shù)據(jù)中心提供一個立即見效且高性價比的方式來解決能耗指標(biāo)的漏洞,并省下龐大的電力需求。采用氮化鎵功率元件的AC-DC轉(zhuǎn)換器,效率可達(dá)到96% ,甚至更高,所減少的功率耗損達(dá)50%,以數(shù)據(jù)中心平均用電量換算,相當(dāng)于節(jié)省了370億千瓦小時的電量,足以供應(yīng)40座超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心一年的電力需求。



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