淺談GaN器件與數(shù)據(jù)中心的關(guān)系

在我們現(xiàn)在的日常生活中，每天都有不斷增長的數(shù)據(jù)被產(chǎn)生、存儲及服務(wù)，而社交網(wǎng)絡(luò)、在線視頻、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)則是這些數(shù)據(jù)尤其主要的貢獻(xiàn)者。以ADAS為例，數(shù)據(jù)存儲咨詢公司Coughlin Associates預(yù)計(jì)自動駕駛汽車每秒將產(chǎn)生GB的數(shù)據(jù)。盡管我們距離完全依賴自動駕駛汽車技術(shù)仍需很長一段時(shí)間，但寶馬、福特和豐田等汽車制造商已紛紛計(jì)劃著如何管理和支持未來的數(shù)據(jù)中心。

與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心已消耗了全球2%的功率，據(jù)預(yù)測這一數(shù)值可能會達(dá)到5%。雖然它們比過去十年更高效更節(jié)能，但采取措施大幅度提高效率降低能耗仍是迫在眉睫。

GaN(氮化鎵)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)為設(shè)計(jì)高效且緊湊的服務(wù)器電源提供最佳選擇，它產(chǎn)生的系統(tǒng)成本和節(jié)能優(yōu)勢可以使現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心處理更大量的數(shù)據(jù)，一定程度上減少了建設(shè)新數(shù)據(jù)中心的需求。

新興的應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng)(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，萬物互聯(lián)等)以及常規(guī)可生成萬億字節(jié)數(shù)據(jù)的自動駕駛汽車，它們通常會生成太字節(jié)的數(shù)據(jù)，這意味著新的服務(wù)器安裝必將呈指數(shù)級增長。與此同時(shí)，國家資源保護(hù)委員會(NDC)的研究表明：許多小型、中型企業(yè)和多租戶數(shù)據(jù)中心實(shí)際上浪費(fèi)了它們所消耗的大部分能源。因此，必須提高服務(wù)器群的效率以便最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)施，同時(shí)應(yīng)對新擴(kuò)建項(xiàng)目的需求。

數(shù)據(jù)中心最大的費(fèi)用是運(yùn)行服務(wù)器的電力消耗，可能高達(dá)總成本的40%，但這些電能中通常約有5-10%會被浪費(fèi)。此外，到2020年數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)計(jì)將增加到每年大約1400億千瓦時(shí)，這將需要17個(gè)新發(fā)電廠，其年產(chǎn)量相當(dāng)于美國企業(yè)每年130億美元的電費(fèi)，而產(chǎn)生近1.5億公噸的碳排放量。

使用GaN替代Si晶體管進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的進(jìn)展使這一能源使用預(yù)測減少了幾個(gè)百分點(diǎn)。除了節(jié)能效益外，這些技術(shù)的進(jìn)步還可以使使用更少、更小的電源轉(zhuǎn)換為更少的數(shù)據(jù)中心，如圖1所示。GaN Systems公司首席執(zhí)行官Jim Witham在一場關(guān)于數(shù)據(jù)中心效率的討論中解釋了節(jié)省空間的好處：“如果您可以使服務(wù)器電源更小，那么便可以使用更少的空間進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，并將更多服務(wù)器放在同一空間內(nèi)。如果您將更多服務(wù)器放在同一空間中，那么便可以更好地使用資產(chǎn)。這對于數(shù)據(jù)中心經(jīng)理來說，他們每平方米的容量會增加很多。我們在數(shù)據(jù)中心看到了10倍的增長，您也可以推遲實(shí)際花錢建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)中心(通過使用更高效的電源)?！?/p>

圖1.使用GaN改善電源系統(tǒng)意味著更多的機(jī)架空間

在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心中，典型的最先進(jìn)的服務(wù)器電源效率徘徊在96%左右。增加這個(gè)數(shù)字通常涉及優(yōu)化控制方法、拓?fù)湟约按判栽?，但是進(jìn)一步提高效率最接近的解決方案是從傳統(tǒng)的Si器件轉(zhuǎn)變?yōu)镚aN。例如，采用Si MOSFET技術(shù)的典型電源具有94-96%的效率。一半的功率損耗發(fā)生在電源功率因數(shù)校正(PFC)階段，另一半則在電源功率轉(zhuǎn)換部分消耗了。 基于最先進(jìn)MOSFET的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半無橋PFC效率高達(dá)97.5%。相比之下，由于GaN器件的固有特性，可以采用更先進(jìn)的圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PFC，并且只需1%的功率損耗即可實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵功能，圖騰柱設(shè)計(jì)還將總組件數(shù)量減少了30%，如圖2所示。

圖2.GaN橋接技術(shù)與Si MOSFET相比具有相當(dāng)大的效率優(yōu)勢

電源制造商采用GaN器件的挑戰(zhàn)和回報(bào)是實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)元件。由于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的大部分低效率是“開關(guān)損耗”導(dǎo)致的，因此GaN器件與開關(guān)速度慢的MOSFET相比有效率優(yōu)勢。 此外，更高的開關(guān)速度大大減小了磁性元件和電容電路元件的尺寸。

數(shù)據(jù)中心的能耗是功率損耗和冷卻的復(fù)雜組合。在一般的數(shù)據(jù)中心中，當(dāng)電流從電網(wǎng)輸運(yùn)至單個(gè)服務(wù)器的微處理器時(shí)需經(jīng)過多重功率轉(zhuǎn)換，大約30%的功率會因轉(zhuǎn)換效率低下而損耗，所有這些能量產(chǎn)生的熱量必須被移除，以保持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行。

圖3.GaN可以將數(shù)據(jù)中心的總體效率提高到84%

GaN器件用于從交流到直流的功率轉(zhuǎn)換，然后用于轉(zhuǎn)換負(fù)載的直流電壓，可以將Si器件的整體效率從77%提高到接近84%，如圖3所示。根據(jù)一級數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商GaN Systems的研究，GaN器件可以將每個(gè)機(jī)架的能源成本降低2,300多美元，使運(yùn)營成本節(jié)省超過2.4億美元。如果該運(yùn)營商的電力密度增加25%以上，將增加14億美元的服務(wù)器以及存儲器收益機(jī)會，而延遲數(shù)據(jù)中心建設(shè)將推遲近11億美元的資本支出。

即將到來的大量數(shù)據(jù)正在推動可擴(kuò)展、高效和靈活的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的需求。采用GaN器件的電源系統(tǒng)可提供更高的功率轉(zhuǎn)換效率，對這種高性能技術(shù)的投資意味著通過創(chuàng)建更小、更輕、成本更低、效率更高的電力系統(tǒng)，提高能源和空間效率。GaN技術(shù)將使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商不僅重新構(gòu)想自己的業(yè)務(wù)，而且最終在改變能源和數(shù)據(jù)相關(guān)的世界中發(fā)揮作用。