AI 数据中心 PSU 迈向下一步
快速阅读: 据《电子说明符》称，本文探讨了当前人工智能数据中心电源供应器的现状及未来发展趋势。随着AI工作负载的增长，高效、可靠且可扩展的电源供应器需求激增。纳维塔斯公司通过开发基于SiC和GaN的电源供应器，提升了功率密度和效率。纳维塔斯已发布4.5千瓦和8.5千瓦的产品，并计划推出10千瓦的电源供应器，以满足2025年人工智能电源需求。
首页 > 首页产品 > 迈向AI数据中心电源供应器的下一阶段 2025年2月26日
电子指定者 哈里·福尔 10
电源供应器（PSU）在确保当今数据中心平稳运行方面发挥着关键作用。随着人工智能工作负载变得越来越主流和需求更高，高效、可靠且可扩展的电源供应器的需求从未如此重要。本文最初发表于2025年1月期的《电子指定者设计》杂志——详见ES杂志档案以获取更多精选出版物。作者：哈里·福尔，助理编辑。
在这里，我探讨了当前人工智能数据中心内电源供应器的状态，并展望这些关键组件在人工智能应用需求增加时的未来演变。
**当前数据中心电源供应器状况**
数据中心一直以耗电量巨大著称，然而我们曾经认为“很多”的电量已经被新一波人工智能数据中心的电力需求所掩盖。国际能源署（IEA）的数据表明，数据中心是近年来能源使用量增长的主要驱动力之一。2022年，数据中心占全球能源使用的约460太瓦时，即2%（这是一个相当大的数字），预计到2026年这一数字将达到1000太瓦时。这种能源消耗水平相当于日本整个国家的能源使用量。这只是人工智能时代的开始。
为应对这一不断增长的能源需求，IEA建议更新法规和技术改进作为关键因素，主要集中在效率上。这就是下一代电源供应器进入画面的地方。在人工智能数据中心内的电源供应器中实现显著的效率提升是缓解人工智能影响的关键。虽然其他领域如CPU效率也可以提高，但电源供应器作为数据中心行业中最大的能源消费者之一，需要进化以匹配这些新兴趋势。下一代数据中心机架中CPU的指数级采用正在超过效率的提升，因此问题转移到了为其供电的电源供应器上。
目前，行业标准如80 PLUS铂金及钛认证，确保电源供应器在“峰值”效率下运行，减少能源浪费和运营成本。自2012年以来，钛认证一直是最高标准，要求所有电源供应器在10%负载下达到90%的效率，在50%负载下达到96%，在100%负载下达到91%，输入电压为320V。
图1：当前80 PLUS电源供应器效率标准
向未来的转变
目前，行业标准如80 PLUS铂金及钛认证，确保电源供应器在“峰值”效率下运行，减少能源浪费和运营成本。自2012年以来，钛认证一直是最高标准，要求所有电源供应器在10%负载下达到90%的效率，在50%负载下达到96%，在100%负载下达到91%，输入电压为320V。然而，随着对更高效率的需求增加，这些基准正在上升。未来版本的80 PLUS标准可能会看到在50%负载下的效率达到97%以上，同时推动更高的密度、峰值功率和保持时间。鉴于数据中心电源供应器外形因子的性质，这一点尤为重要。人工智能数据中心中的电源供应器遵循三种常见外形因子：CRPS185（通用冗余电源供应）、CRPS265和OCP（开放计算项目）。这样做是为了简化部署和维护流程，同时减少冗余。这些尺寸将在未来一段时间内保持不变，因为人工智能数据中心的停机会导致重大经济损失并扰乱关键操作。因此，为了提供更高的功率，未来的电源供应器必须具备更高的功率密度以及必要的效率、可靠性和可管理性提升。
然而，要实现这一结果，需要解决一个新的问题——硅的极限。尽管硅对于电子产品来说是一个圣杯，但在功率密度和效率方面已经达到了极限。为了解决这个问题，下一代电源供应器需要转向宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。
像GaN和SiC这样的宽禁带半导体正迅速成为电力电子的下一步。这些材料具有更大的禁带宽度，使其能够在更高的电压和温度下运行，同时提供更低的损耗。这使它们成为解决人工智能数据中心效率问题的理想选择。虽然GaN和SiC都提供了类似的优点，但它们的独特特性实际上使得其中一种更适合特定的应用。SiC的禁带宽度为3.26 eV（电子伏特），以其高热导率、电场击穿强度和热稳定性而闻名。这些特性使该材料能够处理更高的电压和温度。像GaN和SiC这样的宽禁带半导体正迅速成为电力电子的下一步。这些材料具有更大的禁带宽度，使其能够在更高的电压和温度下运行，同时提供更低的损耗。这使它们成为解决人工智能数据中心效率问题的理想选择。虽然GaN和SiC都提供了类似的优点，但它们的独特特性实际上使得其中一种更适合特定的应用。GaN的禁带宽度为3.4 eV，这意味着它能处理比SiC更高的电子迁移率，这对高速开关和高频操作至关重要。GaN的禁带宽度也支持其在需要高效率和紧凑设计的应用中使用，以及支持平面变压器的使用。
像GaN和SiC这样的宽禁带半导体正迅速成为电力电子的下一步。这些材料具有更大的禁带宽度，使其能够在更高的电压和温度下运行，同时提供更低的损耗。这使它们成为解决人工智能数据中心效率问题的理想选择。虽然GaN和SiC都提供了类似的优点，但它们的独特特性实际上使得其中一种更适合特定的应用。
**满足需求**
在过去几年中，许多公司已将下一代人工智能数据中心电源供应器作为其产品组合的重点，以应对日益增长的担忧。通过开发基于SiC和GaN的电源供应器，以及支持这些技术的门结构等技术，公司能够实现符合旧外形因子的设计，同时塞入高水平的功率密度和效率。纳维塔斯就是这样一家致力于实现这一目标的公司，通过其GeneSiC和GaNSafe系列提供了一些最强大的解决方案。
2024年7月，纳维塔斯发布了其首款针对人工智能数据中心的产品——一款4.5千瓦的人工智能数据中心电源供应参考设计，其功率密度达137瓦/立方英寸，在50%负载下效率超过97%，采用CRPS185外形因子。这是通过利用交错CCM全桥PFC（使用SiC）和基于GaN的全桥LLC拓扑实现的。这种动态方法结合了每种材料的最佳特性，实现了高频、冷却操作、提高的可靠性以及大幅提高的功率密度和效率。
向前推进到2024年11月，纳维塔斯宣布了其后续计划，推出了8.5千瓦的电源平台。这继续了SiC和GaN的使用趋势，提供了一个优化的54伏输出，峰值效率达到98%，采用OCP和Open Rack v3（Orv3）兼容封装。这款电源供应器采用了GaNSafe和Gen-3 Fast SiC MOSFET，配置为三相交错PFC和LLC拓扑。这种三相设计为最终产品提供了低纹波电流和电磁干扰。
现在，纳维塔斯正朝着满足2025年人工智能电源需求的目标迈进，推出了一款10千瓦的电源供应器设计，这是其迈向“12千瓦交流-直流转换器及其更远目标”的下一步。
(以上内容均由Ai生成)
