Omdia 預(yù)測，隨著電動汽車 (EV) 革命的到來，新型半導(dǎo)體將出現(xiàn)爆炸式增長，而功率半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年的傳統(tǒng)規(guī)范也將受到挑戰(zhàn)。AI 的興起是否會有類似的影響？

Omdia 半導(dǎo)體研究元件高級分析師 Callum Middleton 表示："對于長期依賴于硅技術(shù)的行業(yè)，新材料制成的器件既能帶來挑戰(zhàn)，也能起到推動作用。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率器件的開發(fā)始于上個世紀(jì)，但它們的技術(shù)成熟度順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展趨勢，用新材料制造的器件為我們這個能源匱乏的世界帶來顯著的效率提升。"

特斯拉已于 2018 年首次採用多個 SiC 裝置，該技術(shù)由此從實驗室和測試設(shè)計，躍升為主流。電動車市場自此開始起飛，而這些技術(shù)帶來眾多充電速度和續(xù)航里程好處，採用這些技術(shù)的汽車制造商更與日俱增。

這一早期採用證實 SiC 在現(xiàn)實世界的效能和可靠程度。而對于氮化鎵（GaN），手機(jī)和筆記本電腦充電器也取得了類似的效果。隨著 AI 的蓬勃發(fā)展，它將給我們的能源供應(yīng)和分配系統(tǒng)帶來額外的壓力。為了確保充分享受 AI 的好處，并確保以可持續(xù)的方式利用 AI，我們必須確保效率最大化，但這并不一定要以犧牲盈利能力為代價。在數(shù)據(jù)中心的電源中采用 SiC 或 GaN 解決方案可以顯著降低能耗，同時為額外的計算能力釋放空間。


效率需求推動增長

隨著各國努力實現(xiàn)能源安全，以及各行各業(yè)尋求提高能源效率和實現(xiàn)碳減排目標(biāo)，提高效率的動力將繼續(xù)存在。許多行業(yè)將面臨進(jìn)一步的壓力，要求將能源消耗降至最低。這其中就包括數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是能源密集型行業(yè)，隨著人工智能（AI）的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能源密集度可能會更高。

人工智能需要強(qiáng)大的計算能力，而高性能數(shù)據(jù)中心的運營商則希望他們的設(shè)施能夠高效地運行，這樣他們的能源成本和能源足跡就不會過多。電源是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，而寬禁帶半導(dǎo)體，特別是氮化鎵，可以幫助運營商在三個方面節(jié)省成本：能源損耗、數(shù)據(jù)中心的冷卻成本以及服務(wù)器所需的空間。

數(shù)據(jù)中心使用大量能源，但它們的工作電壓并不高，這意味著常用于筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體可能比針對電力傳輸和汽車等行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化的碳化硅（SiC）半導(dǎo)體具有更大的優(yōu)勢。

氮化鎵器件可在主服務(wù)器電源中更高效地運行，從而減少數(shù)據(jù)中心的能量損耗。基于氮化鎵的解決方案可實現(xiàn)出色的導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度，從而大大降低能量損耗。這不僅降低了服務(wù)器機(jī)架的能源需求，還減少了對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的需求。

能源損耗和冷卻需求的減少意味著能耗的降低。功率半導(dǎo)體公司英飛凌正在投資氮化鎵技術(shù)，并于去年年底完成了對氮化鎵系統(tǒng)公司的收購。英飛凌認(rèn)為，如果運營商將硅電源轉(zhuǎn)換為基于氮化鎵的電源裝置，數(shù)據(jù)中心的能耗可減少 10%。該公司還表示，如果所有數(shù)據(jù)中心都改用氮化鎵技術(shù)，每年可節(jié)省 20TWh 的能源。


數(shù)據(jù)中心對氮化鎵趨之若鶩

我們已經(jīng)在新能源汽車、快充等領(lǐng)域見證了氮化鎵的普及，但事實上，在服務(wù)器電源這種高端工業(yè)電源市場，這種對氮化鎵器件的追求也已經(jīng)露出跡象。這自然是出于對氮化鎵能效的看重，在PUE逐漸成為新數(shù)據(jù)中心建設(shè)、舊數(shù)據(jù)中心改建的硬性指標(biāo)后，如何提高能效成了最大的難題，

而在上述提到的氮化鎵一眾優(yōu)勢中，就給出了高能效這一優(yōu)勢。正如我們在PC電源上選購常見的80 Plus鉑金、鈦金等方案一樣，數(shù)據(jù)中心同樣需要這類高能效的電源，只不過功率要更高一些，而且至少也都需要鉑金級的電源，這也意味著能效需要維持在90%以上。而基于氮化鎵的服務(wù)器電源在實現(xiàn)更高功率密度的同時，更容易做到鈦金級別的能效。

另外就是供電架構(gòu)發(fā)生的轉(zhuǎn)變，與汽車的48V系統(tǒng)一樣，數(shù)據(jù)中心也面臨著同樣的轉(zhuǎn)變，更低的I2R損耗能夠提升系統(tǒng)效率已經(jīng)是不爭的事實。但因為高電壓轉(zhuǎn)換器過去反而會降低效率、提高成本和徒增尺寸的局限性，48V并沒有獲得普及。

可隨著氮化鎵這類第三代半導(dǎo)體的面世，以及有了一眾廠商為數(shù)據(jù)中心提出了48V DC/DC的方案，從而為全新的開放計算項目（OCP）48V配件架構(gòu)做好準(zhǔn)備。而且對于云服務(wù)廠商來說，48V DC/DC轉(zhuǎn)換器帶來的體積優(yōu)勢，將進(jìn)一步為數(shù)據(jù)中心降本增效提供便利。


展望未來：氮化鎵芯片的無限可能

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，預(yù)計氮化鎵器件和芯片將在未來得到更廣泛的應(yīng)用。目前的研究正在尋找提高氮化鎵性能的新方法，并開發(fā)其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，氮化鎵在太陽能電池中的應(yīng)用可能會提高太陽能利用的效率；在電力存儲設(shè)備中的應(yīng)用可能會提高電池的能量密度和壽命；在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用可能會提高設(shè)備的性能和安全性。

此外隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨笕找嬖鲩L氮化鎵在電力轉(zhuǎn)換和存儲方面的應(yīng)用可能會發(fā)揮重要作用其高效能和可靠性可以使電力網(wǎng)絡(luò)更加高效、可靠同時隨著電動汽車市場的不斷擴(kuò)大氮化鎵在汽車電子設(shè)備中的應(yīng)用也可能會得到更廣泛的推廣。