浅谈GaN器件与数据中心的关系

在我们现在的日常生活中，每天都有不断增长的数据被产生、存储及服务，而社交网络、在线视频、物联网设备和汽车高级驾驶员辅助系统(ADAS)则是这些数据尤其主要的贡献者。以ADAS为例，数据存储咨询公司Coughlin Associates预计自动驾驶汽车每秒将产生GB的数据。尽管我们距离完全依赖自动驾驶汽车技术仍需很长一段时间，但宝马、福特和丰田等汽车制造商已纷纷计划着如何管理和支持未来的数据中心。

与此同时，数据中心已消耗了全球2%的功率，据预测这一数值可能会达到5%。虽然它们比过去十年更高效更节能，但采取措施大幅度提高效率降低能耗仍是迫在眉睫。

GaN(氮化镓)电源转换技术为设计高效且紧凑的服务器电源提供最佳选择，它产生的系统成本和节能优势可以使现有数据中心处理更大量的数据，一定程度上减少了建设新数据中心的需求。

新兴的应用包括物联网(工业物联网，万物互联等)以及常规可生成万亿字节数据的自动驾驶汽车，它们通常会生成太字节的数据，这意味着新的服务器安装必将呈指数级增长。与此同时，国家资源保护委员会(NDC)的研究表明：许多小型、中型企业和多租户数据中心实际上浪费了它们所消耗的大部分能源。因此，必须提高服务器群的效率以便最大限度地利用现有设施，同时应对新扩建项目的需求。

数据中心最大的费用是运行服务器的电力消耗，可能高达总成本的40%，但这些电能中通常约有5-10%会被浪费。此外，到2020年数据中心能耗预计将增加到每年大约1400亿千瓦时，这将需要17个新发电厂，其年产量相当于美国企业每年130亿美元的电费，而产生近1.5亿公吨的碳排放量。

使用GaN替代Si晶体管进行电源设计的进展使这一能源使用预测减少了几个百分点。除了节能效益外，这些技术的进步还可以使使用更少、更小的电源转换为更少的数据中心，如图1所示。GaN Systems公司首席执行官Jim Witham在一场关于数据中心效率的讨论中解释了节省空间的好处：“如果您可以使服务器电源更小，那么便可以使用更少的空间进行电源转换，并将更多服务器放在同一空间内。如果您将更多服务器放在同一空间中，那么便可以更好地使用资产。这对于数据中心经理来说，他们每平方米的容量会增加很多。我们在数据中心看到了10倍的增长，您也可以推迟实际花钱建立一个新的数据中心(通过使用更高效的电源)。”

图1.使用GaN改善电源系统意味着更多的机架空间

在当今的数据中心中，典型的最先进的服务器电源效率徘徊在96%左右。增加这个数字通常涉及优化控制方法、拓扑以及磁性元件，但是进一步提高效率最接近的解决方案是从传统的Si器件转变为GaN。例如，采用Si MOSFET技术的典型电源具有94-96%的效率。一半的功率损耗发生在电源功率因数校正(PFC)阶段，另一半则在电源功率转换部分消耗了。 基于最先进MOSFET的工业标准半无桥PFC效率高达97.5%。相比之下，由于GaN器件的固有特性，可以采用更先进的图腾柱拓扑结构PFC，并且只需1%的功率损耗即可实现这一关键功能，图腾柱设计还将总组件数量减少了30%，如图2所示。

图2.GaN桥接技术与Si MOSFET相比具有相当大的效率优势

电源制造商采用GaN器件的挑战和回报是实现更快的开关元件。由于功率转换系统的大部分低效率是“开关损耗”导致的，因此GaN器件与开关速度慢的MOSFET相比有效率优势。 此外，更高的开关速度大大减小了磁性元件和电容电路元件的尺寸。

数据中心的能耗是功率损耗和冷却的复杂组合。在一般的数据中心中，当电流从电网输运至单个服务器的微处理器时需经过多重功率转换，大约30%的功率会因转换效率低下而损耗，所有这些能量产生的热量必须被移除，以保持数据中心正常运行。

图3.GaN可以将数据中心的总体效率提高到84%

GaN器件用于从交流到直流的功率转换，然后用于转换负载的直流电压，可以将Si器件的整体效率从77%提高到接近84%，如图3所示。根据一级数据中心运营商GaN Systems的研究，GaN器件可以将每个机架的能源成本降低2,300多美元，使运营成本节省超过2.4亿美元。如果该运营商的电力密度增加25%以上，将增加14亿美元的服务器以及存储器收益机会，而延迟数据中心建设将推迟近11亿美元的资本支出。

即将到来的大量数据正在推动可扩展、高效和灵活的数据中心基础设施的需求。采用GaN器件的电源系统可提供更高的功率转换效率，对这种高性能技术的投资意味着通过创建更小、更轻、成本更低、效率更高的电力系统，提高能源和空间效率。GaN技术将使数据中心运营商不仅重新构想自己的业务，而且最终在改变能源和数据相关的世界中发挥作用。