AI時(shí)代的數據中心成吃電巨獸，氮化鎵會(huì )是能效救星嗎？

數位經(jīng)濟正經(jīng)歷一場(chǎng)由兩大趨勢驅動(dòng)的巨大變革，即時(shí)數據分析的龐大需求為其一，另一則是生成式人工智能（Generative AI）的快速發(fā)展。一場(chǎng)激烈的生成式AI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AI的研發(fā)創(chuàng )新。根據彭博智庫（Bloomberg Intelligence）預測，生成式AI市場(chǎng)將以42%的年增率成長(cháng)，從2022年400億美元市值，于10年內擴大至1.3兆美元。

在A(yíng)I的蓬勃發(fā)展下，數據中心對電力與運算的需求呈正比成長(cháng)，激增的用電量不僅對營(yíng)運效率造成壓力，更成為數據中心達成凈零排放目標的阻礙。當前數據中心所采用的電力轉換及分配技術(shù)，已難以滿(mǎn)足來(lái)自云計算及機器學(xué)習的運算需求，面對更龐大能源的生成式AI應用，數據中心運營(yíng)商正急迫地尋找創(chuàng )新電力解決方案。

氮化鎵（GaN）功率半導體應運而生，成為數據中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。接下來(lái)的文章將進(jìn)一步探討生成式AI對數據中心帶來(lái)的挑戰、氮化鎵功率器件的優(yōu)勢，最后分析業(yè)界普遍使用的“電源使用效率（Power Usage Effectiveness, PUE)”指標中所存在的漏洞，這些洞察皆將指向一個(gè)結論，氮化鎵功率元件在數據中心電力系統中的應用將加速落地。

生成式AI對數據中心的沖擊將加劇

面對數據量爆炸，依傳統工作負載量所規劃的數據中心基礎架構正面臨巨大壓力。全球數據量每?jì)赡瓯惴瓭q一倍，處理、儲存這些龐大數據的服務(wù)器，需要大量的能源及水資源來(lái)維持運作。根據麥肯錫的預測，在未來(lái)五年內，光是位于美國地區的數據中心便將新增39GW的用電量，相當于3200萬(wàn)的家庭一年的用電量。

生成式AI帶來(lái)破壞式創(chuàng )新與商機，但隨之而來(lái)的能源需求也是前所未有。一篇研究文章指出，訓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應用主要的能耗來(lái)自于兩方面，一是訓練構成生成式AI系統核心的大型語(yǔ)言模型（LLMs）時(shí)需要的能源，另外便是大型語(yǔ)言模型運作時(shí)的能耗。

生成式AI的用電量高的難以置信，假設每次Google搜索需耗費相當于一個(gè)100瓦燈泡發(fā)光11秒鐘的電量，如今當紅的生成式AI應用工具ChatGPT 每回答一個(gè)問(wèn)題的用電量，竟比Google搜索高出50-100倍。面對突增的電力需求，升級數據中心架構迫在眉睫，數據中心業(yè)者更直言接下來(lái)4年數據中心在升級設備的花費預估將高達1兆美元。

雖然如浸沒(méi)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，但這些方案皆無(wú)法從根本解決問(wèn)題。由于基于硅開(kāi)發(fā)的功率元件效率低落，現今的數據中心高度依賴(lài)冷卻系統來(lái)維持安全的運作溫度，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前數據中心急迫所需。

氮化鎵具無(wú)可匹敵的效率與性能

相較傳統電源供應器，基于氮化鎵功率元件設計的電源供應器，能實(shí)現超群的性能與效率，在生成式AI應用不斷升級下，成為數據中心理想選擇。憑借更快的開(kāi)關(guān)速度及卓越的輸入和輸出品質(zhì)因數（Figures of Merit)，氮化鎵實(shí)現電源設計上的優(yōu)勢，帶來(lái)超越鈦金級的能效表現，并大幅提高功率密度。

氮化鎵電晶體為電源設備帶來(lái)更高的效率水準，效率提高代表能源損耗減少，設備也能減少過(guò)熱情形。舉例來(lái)說(shuō)，在典型數據中心架構中，基于氮化鎵設計的電源供應器每年可為每10個(gè)機架增加300萬(wàn)美元的營(yíng)收，減少100公噸的二氧化碳排放量，省下13000美元的運營(yíng)支出。當生成式AI對電力需求持續攀升、且每機架的功率密度提升至2-3倍時(shí)，這些氮化鎵所帶來(lái)的優(yōu)勢將更顯著(zhù)。

你也許會(huì )好奇，氮化鎵的所帶來(lái)的好處如此顯而易見(jiàn)，但為什么數據中心業(yè)者沒(méi)有立即轉用這項技術(shù)？廣受數據中心使用的PUE指標中有一項經(jīng)常被忽視的盲點(diǎn)，也就是我們所稱(chēng)“能耗指標漏洞（ PUE Loophole )”，這便是氮化鎵技術(shù)普及受限的主因。

什么是能耗指標漏洞

PUE代表IT設備負載耗電量占總耗電的比例，普遍作為評估數據中心能源效率的指標。密切監控并持續改善PUE對數據中心運營(yíng)優(yōu)化十分重要，降低PUE代表減少用電量，進(jìn)而減少運營(yíng)成本及環(huán)境沖擊。

然而，PUE僅計算了電力傳輸至服務(wù)器的效率，卻忽略了服務(wù)器中電力轉換間的能源損耗，這便是能耗指標漏洞，數據中心以PUE作為評估整體運營(yíng)成效時(shí)會(huì )產(chǎn)生的盲點(diǎn)。

這個(gè)盲點(diǎn)造成當前許多服務(wù)器仍采用效率僅有90%甚至更低的AC-DC轉換器，這代表了每次AC-DC能源轉換間，有10%的能源在轉換中被浪費了，這不但增加了電費成本及碳排放量，被浪費的能源同時(shí)以熱的方式排出，進(jìn)而提升數據中心對額外冷卻系統的需求，冷卻系統也是另一個(gè)非常耗電的設備。

氮化鎵功率半導體將為這個(gè)挑戰帶來(lái)轉機，為數據中心提供一個(gè)立即見(jiàn)效且高性?xún)r(jià)比的方式來(lái)解決能耗指標的漏洞，并省下龐大的電力需求。采用氮化鎵功率元件的AC-DC轉換器，效率可達到96% ，甚至更高，所減少的功率耗損達50%，以數據中心平均用電量換算，相當于節省了370億千瓦小時(shí)的電量，足以供應40座超大規模數據中心一年的電力需求。