GaN將在數據服務(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，這是因為服務(wù)器及其冷卻系統對能源消耗，占據了數據中心將近40%的運營(yíng)成本。GaN具有獨特的優(yōu)勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數據中心的配電和轉換、節能、減少對冷卻系統的需求，并最終使數據中心更具成本效益和可擴展性。

數字化和云端服務(wù)的快速建置推動(dòng)了全球數據服務(wù)器的產(chǎn)業(yè)規模的成長(cháng)。今天，數據服務(wù)器消耗了全球近1%的電力，這個(gè)數字預計會(huì )不斷的成長(cháng)下去。次世代的產(chǎn)業(yè)趨勢，例如虛擬世界、增強實(shí)境和虛擬現實(shí)，所消耗大量電力將遠超現今地球上所能生產(chǎn)的能源。在21世紀初，Rack或Blade服務(wù)器PSU的功率規模在200~300W左右，而當時(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，這是因為服務(wù)器及其冷卻系統對能源消耗，占據了數據中心將近40%的運營(yíng)成本。另一方面，數據服務(wù)器的耗能標準也朝向更高的效率發(fā)展。開(kāi)放運算計劃（OCP）3.0就是為了降低能耗的硬件，所提供進(jìn)一步的優(yōu)化規范，包括80 Plus白金和鈦認證，以及歐盟的歐洲生態(tài)設計（ErP）第9批法規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(cháng)3倍
目前許多服務(wù)器設計正從Rack的48V隔離、調節式的DC/DC變壓器轉換為非隔離、未調節的48V DC/DC。服務(wù)器內部的空間非常寶貴，尤其是那些為了執行高階運算功能而設計的服務(wù)器，對功率的要求也越來(lái)越高。同時(shí)部分GPU對電源轉換更有著(zhù)額外的要求，例如在某些工作條件下需要0.6V的電壓。

這些嚴格的功率要求使得基本的功率轉換結構必須改變，因此在電路空間有限下，高功率密度架構成為電源系統設計者的目標。

以今天的主流來(lái)看，服務(wù)器CPU的功耗約為200W，散熱設計功率也接近到了300W，因此服務(wù)器PSU的功率規模將被大幅度的增加到800~2000W。更進(jìn)一步，為了滿(mǎn)足越來(lái)越多例如云端運算、AI運算等的服務(wù)器計算要求，使得服務(wù)器必須支持GPU與CPU協(xié)同作業(yè)，預計5年內，服務(wù)器的電力需求將增加到3000W以上，甚至在不久的將來(lái)，數據中心PSU的功率更將大幅增加到5000W以上。

自2004年以來(lái)，以80 Plus標準為PC和服務(wù)器電源供應系統提供了80%以上效率的認證。目前量產(chǎn)的服務(wù)器電源大多能達到80 Plus Gold（>92%效率）的要求，有些甚至可以達到80 Plus Platinum（>94%效率）的要求。而接下來(lái)正在開(kāi)發(fā)更高的80 Plus Titanium規格的服務(wù)器PSU，該規格要求在半負載下達到96%以上的峰值效率(表一)。

表一：各種80 Plus規格 (230V Internal Redundant)。（source：CLEAResult）

另外，根據數據中心電源供應系統所遵循的OCP開(kāi)放機架(Open-Rack)規范，電源供應系統需要達到97.5%以上的峰值效率。因此，需要新一代的拓撲結構，如無(wú)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80 Plus Titanium和開(kāi)放運算的效率目標。

半導體的過(guò)去和現在：從鍺到硅到化合物
半導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。鍺是當時(shí)半導體產(chǎn)品的主要材料，但在后來(lái)，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(zhù)半導體制造設備的精密度提升，和組件結構、晶圓制程的優(yōu)化下，硅半導體產(chǎn)品也在不斷發(fā)展，促進(jìn)了我們日常生活中電子產(chǎn)品的小型化和先進(jìn)化。

但是面對今天對于高效半導體的需求，硅基材料已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足所有的架構特性，特別是在功率半導體領(lǐng)域，物理特性大大超過(guò)硅基半導體的化合物半導體，因此在過(guò)去的幾年中，化合物半導體元的件開(kāi)發(fā)和實(shí)際應用方面已經(jīng)取得了相當程度的進(jìn)展。

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

硅是一種相當普遍的單一化學(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)的半導體就被稱(chēng)為「化合物半導體」，或是「次世代半導體」。

SiC化合物半導體
SiC是一種利用碳材料來(lái)代替一半硅的化合物，其晶體結構卻比單晶硅更穩定。因此，SiC可以提供較高的介電擊穿場(chǎng)強，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(lái)越受歡迎。具體來(lái)說(shuō)，有望在10kW或更大功率應用被廣泛采用，同時(shí)在制造更小、更輕的系統方面也有很大的優(yōu)勢，例如功率調節器、電源管理系統等(圖三)。

 圖三 : Planer MOSFET的結構。盡管Si和SiC的 MOSFET結構幾乎相同，但SiC的傳導損耗卻相當低。(source：Dempa；作者整理)

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

GaN化合物半導體
GaN的最初是被應用于藍光LED和雷射二極管。后來(lái)逐漸被擴大到通訊用射頻，甚至現在越來(lái)越多的功率轉換電路都可以看到GaN 的身影。

使得愈來(lái)愈多的業(yè)者積極投入GaN半導體制程的研發(fā)，因此GaN功率組件已成為第三代半導體產(chǎn)業(yè)中成長(cháng)最快的類(lèi)別。根據TrendForce的資料預計， 2021年GaN功率組件市場(chǎng)規模將達到8300萬(wàn)美元，同期比成長(cháng)高達73%。

雖然功率組件普遍被認為低調地存在各種系統電源管理電路之中，但實(shí)際上卻是掌握著(zhù)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換效率，為數據服務(wù)器的工作負載提供更多功率。而不是產(chǎn)生更多的熱量，因為這將增加數據中心的冷卻需求。而低電阻和電容可讓每瓦執行更多的數據服務(wù)器操作。此外，由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期儲存的能量減少，和高速頻率開(kāi)關(guān)，更能大幅度減少儲電被動(dòng)組件的尺寸和重量。因此化合物半導體在服務(wù)器電源管理的寄予厚望，期待帶來(lái)具有突破性的效能提升。

在有限的空間內 透過(guò)功率密度提高性能
與SiC相比，GaN具有更穩定的鍵合結構，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(guò)高頻率下開(kāi)關(guān)，可縮小電感和其他外圍組件。

電子系統對功能的需求增加往往超過(guò)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，當然可以透過(guò)更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現。不過(guò)，因為GaN材料功率芯片的出現，電源設計人員樂(lè )于透過(guò)這樣的組件，將更多功率壓縮到更小的空間中，來(lái)提高效率并改善熱性能。因此電源系統設計人員相當樂(lè )于將GaN應用在電源等方面，透過(guò)更高的密度和效率來(lái)提升效能。

GaN繼續擴展在云端服務(wù)器上高速通訊的應用
就如上述，得力于透過(guò)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)目標得以加速實(shí)現。圖四是最新版本的48 - 12 V非調控DC/DC的布局和物理結構。利用所有三個(gè)尺寸將變壓器置于主動(dòng)電路的頂部，這樣可以節省空間，并減少電阻損失。并且峰值效率達到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1 kW的功率。

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

為了實(shí)現AIoT應用，需要更快的射頻功率放大器應用在云端服務(wù)器上，以及由傳感器、執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，更能將異構整合到特定應用的系統中。

和電源電路一樣，與傳統的硅半導體相比，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(kāi)關(guān)速度、低R DS(ON)帶來(lái)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(guò)100萬(wàn)小時(shí)。

GaN將是下一代游戲規則改變者
數據服務(wù)器是當今技術(shù)世界不可或缺的一部分。隨著(zhù)云端運算和機器學(xué)習（ML）等新技術(shù)和工作負載的廣泛采用，數據服務(wù)器的壓力越來(lái)越大，而且這種趨勢預計只會(huì )持續下去。

相信接下來(lái)這一挑戰的解決方案將由GaN來(lái)?yè)?，GaN具有獨特的優(yōu)勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數據中心的配電和轉換、節能、減少對冷卻系統的需求，并最終使數據中心更具成本效益和可擴展性。

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