GaN将在数据服务器中挑起效率大梁

虽然增加可再生能源是全球的大趋势，但这还不够，能源效率是另一个重点领域，这是因为服务器及其冷却系统对能源消耗，占据了数据中心将近40%的运营成本。GaN具有独特的优势，提供卓越的性能和效率，并彻底改变数据中心的配电和转换、节能、减少对冷却系统的需求，并最终使数据中心更具成本效益和可扩展性。

数字化和云端服务的快速建置推动了全球数据服务器的产业规模的成长。今天，数据服务器消耗了全球近1%的电力，这个数字预计会不断的成长下去。次世代的产业趋势，例如虚拟世界、增强实境和虚拟现实，所消耗大量电力将远超现今地球上所能生产的能源。在21世纪初，Rack或Blade服务器PSU的功率规模在200~300W左右，而当时CPU的功耗则为30W至50W之间(图一)。

虽然增加可再生能源是全球的大趋势，但这还不够，能源效率是另一个重点领域，这是因为服务器及其冷却系统对能源消耗，占据了数据中心将近40%的运营成本。另一方面，数据服务器的耗能标准也朝向更高的效率发展。开放运算计划（OCP）3.0就是为了降低能耗的硬件，所提供进一步的优化规范，包括80 Plus白金和钛认证，以及欧盟的欧洲生态设计（ErP）第9批法规也在积极地被讨论中。

 
图一 : CPU的功耗趋势。（source：NATIONAL ACADEMY）

服务器对电源的需求，5年将成长3倍
目前许多服务器设计正从Rack的48V隔离、调节式的DC/DC变压器转换为非隔离、未调节的48V DC/DC。服务器内部的空间非常宝贵，尤其是那些为了执行高阶运算功能而设计的服务器，对功率的要求也越来越高。同时部分GPU对电源转换更有着额外的要求，例如在某些工作条件下需要0.6V的电压。

这些严格的功率要求使得基本的功率转换结构必须改变，因此在电路空间有限下，高功率密度架构成为电源系统设计者的目标。

以今天的主流来看，服务器CPU的功耗约为200W，散热设计功率也接近到了300W，因此服务器PSU的功率规模将被大幅度的增加到800~2000W。更进一步，为了满足越来越多例如云端运算、AI运算等的服务器计算要求，使得服务器必须支持GPU与CPU协同作业，预计5年内，服务器的电力需求将增加到3000W以上，甚至在不久的将来，数据中心PSU的功率更将大幅增加到5000W以上。

自2004年以来，以80 Plus标准为PC和服务器电源供应系统提供了80%以上效率的认证。目前量产的服务器电源大多能达到80 Plus Gold（>92%效率）的要求，有些甚至可以达到80 Plus Platinum（>94%效率）的要求。而接下来正在开发更高的80 Plus Titanium规格的服务器PSU，该规格要求在半负载下达到96%以上的峰值效率(表一)。

表一：各种80 Plus规格 (230V Internal Redundant)。（source：CLEAResult）

另外，根据数据中心电源供应系统所遵循的OCP开放机架(Open-Rack)规范，电源供应系统需要达到97.5%以上的峰值效率。因此，需要新一代的拓扑结构，如无桥式功率因素校正（PFC）和软切换式变压器，以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙材料技术所量产的电源管理用芯片，都将帮助PSU实现80 Plus Titanium和开放运算的效率目标。

半导体的过去和现在：从锗到硅到化合物
半导体组件的历史可以追溯到1950年左右推出的点接触电晶体。锗是当时半导体产品的主要材料，但在后来，具有更优异特性的硅取代了锗，并一直被广泛使用到今天。伴随着半导体制造设备的精密度提升，和组件结构、晶圆制程的优化下，硅半导体产品也在不断发展，促进了我们日常生活中电子产品的小型化和先进化。

但是面对今天对于高效半导体的需求，硅基材料已经无法满足所有的架构特性，特别是在功率半导体领域，物理特性大大超过硅基半导体的化合物半导体，因此在过去的几年中，化合物半导体元的件开发和实际应用方面已经取得了相当程度的进展。

 
图二 : SiC/GaN组件将逐渐跨大其应用范围。（source: Sanken Electric；作者整理）

硅是一种相当普遍的单一化学物质；相反，SiC是碳与硅的混合物，而GaN则是镓与氮的混合物。由于这个原因，使用这些混合材料生产的半导体就被称为「化合物半导体」，或是「次世代半导体」。

SiC化合物半导体
SiC是一种利用碳材料来代替一半硅的化合物，其晶体结构却比单晶硅更稳定。因此，SiC可以提供较高的介电击穿场强，可以大幅薄化活性层。让组件具有更高的击穿电压特性，和比传统硅组件更低的损耗。作为硅IGBT的替代品，SiC在大电流和高耐压领域越来越受欢迎。具体来说，有望在10kW或更大功率应用被广泛采用，同时在制造更小、更轻的系统方面也有很大的优势，例如功率调节器、电源管理系统等(图三)。

 图三 : Planer MOSFET的结构。尽管Si和SiC的 MOSFET结构几乎相同，但SiC的传导损耗却相当低。(source：Dempa；作者整理)

第2代和第3代 MOSFET制程技术都为平面式，由于结构非常简单，因此具有制程相当简单、低成本，和高可靠性的特点。因此透过采用SiC材料，可使得第3代MOSFET可拥有最低的传导损耗。

GaN化合物半导体
GaN的最初是被应用于蓝光LED和雷射二极管。后来逐渐被扩大到通讯用射频，甚至现在越来越多的功率转换电路都可以看到GaN 的身影。

使得愈来愈多的业者积极投入GaN半导体制程的研发，因此GaN功率组件已成为第三代半导体产业中成长最快的类别。根据TrendForce的资料预计， 2021年GaN功率组件市场规模将达到8300万美元，同期比成长高达73%。

虽然功率组件普遍被认为低调地存在各种系统电源管理电路之中，但实际上却是掌握着电源管理关键的重要组件。例如，低电阻和电容可以提高功率转换效率，为数据服务器的工作负载提供更多功率。而不是产生更多的热量，因为这将增加数据中心的冷却需求。而低电阻和电容可让每瓦执行更多的数据服务器操作。此外，由于每个开关周期储存的能量减少，和高速频率开关，更能大幅度减少储电被动组件的尺寸和重量。因此化合物半导体在服务器电源管理的寄予厚望，期待带来具有突破性的效能提升。

在有限的空间内 透过功率密度提高性能
与SiC相比，GaN具有更稳定的键合结构，虽然击穿电压不能像SiC组件那样高，但却适用于高频领域。透过高频率下开关，可缩小电感和其他外围组件。

电子系统对功能的需求增加往往超过可用能量。这需要提高在额定外形尺寸（或功率密度）下处理的功率量，当然可以透过更高的效率和开关频率来实现。不过，因为GaN材料功率芯片的出现，电源设计人员乐于透过这样的组件，将更多功率压缩到更小的空间中，来提高效率并改善热性能。因此电源系统设计人员相当乐于将GaN应用在电源等方面，透过更高的密度和效率来提升效能。

GaN继续扩展在云端服务器上高速通讯的应用
就如上述，得力于透过GaN技术的进步，再加上电磁学和散热管理方面的改进，使得高效能的这个目标得以加速实现。图四是最新版本的48 - 12 V非调控DC/DC的布局和物理结构。利用所有三个尺寸将变压器置于主动电路的顶部，这样可以节省空间，并减少电阻损失。并且峰值效率达到98%，另外加上有效的散热管理，使这个尺寸为22.8mm × 17.5mm × 7.5mm的微型变压器能够提供高达1 kW的功率。

 
图四 : 1kW 48V–12V LLC 变压器。（source：Data Center Dynamic）

为了实现AIoT应用，需要更快的射频功率放大器应用在云端服务器上，以及由传感器、执行器和微控制器组成的网络边缘，此外，这些功能中的每一个关键性IC，更能将异构整合到特定应用的系统中。

和电源电路一样，与传统的硅半导体相比，由GaN和GaAs制成的射频功率放大器也具有许多性能优势，例如更高的开关速度、低R DS(ON)带来的更低的电流损耗，以及更高的功率密度。采用GaN技术制造射频功率组件，不仅可提供高功率密度和良率，更可以在高电压和在255℃??下下操作超过100万小时。

GaN将是下一代游戏规则改变者
数据服务器是当今技术世界不可或缺的一部分。随着云端运算和机器学习（ML）等新技术和工作负载的广泛采用，数据服务器的压力越来越大，而且这种趋势预计只会持续下去。

相信接下来这一挑战的解决方案将由GaN来担任，GaN具有独特的优势，提供卓越的性能和效率，并彻底改变数据中心的配电和转换、节能、减少对冷却系统的需求，并最终使数据中心更具成本效益和可扩展性。

GaN是下一代半导体。并且随着GaN在集成电路和晶体管中的性能和潜在能力相当高，全球业者已经投入大量的资源进行开发，毫无疑问，GaN半导体将是技术和电子产业的下一个游戏规则改变者。