英诺赛科氮化镓助力建设“绿色数据中心”

根据第三方机构数据，到2030年整个数据中心市场需求量会比2020年扩增5倍。不过这也带来另一个问题，就是数据中心的巨大电能消耗。在11月11日，IIC Shenzhen 2022同期举办的“第24届高效电源管理及功率器件论坛”上，英诺赛科市场部许子俊先生表示，预计2030年数据中心的耗电量将达3000TWhr，相当于全球能耗的 10%。

英诺赛科市场部许子俊先生

根据工信部信息通信发展司数据显示，我国数据中心机架规模统计以及预测将以每年30%的速度增长。同样意味着电量的急剧增长。

随着数据中心机架规模的提升，国家发布的《数据中心白皮书（2022年）》中提出“高功率服务器研发部署加快，单位面积算力提升”的要求。白皮书指出，部署高功率密度服务器是建设高密度数据中心的关键，具体优势为：

• 高密度服务器电源和风扇以共享方式进行设计，位于同一机箱内的多台服务器节点可以共享电源和风扇；
• 降低机体的重量和空间占用，提升数据中心单位面积算力
• 提升电源和散热系统的使用效率，降低数据中心运营成本

传统数据中心的供电架构面临挑战，减少损耗，提高效率、功率密度，和更快的响应成为新的诉求。

氮化镓在数据中心的供电架构变革中有什么意义？

英诺赛科是一家第三代半导体硅基氮化镓外延及器件研发与制造的技术企业，采用IDM全产业链模式，建立了全球首条产能最大的8英寸 GaN-on-Si 晶圆量产线。2015年成立珠海基地，2017年通线量产，产能规划是5万片/年；2018年建设苏州基地，2021年6月正式量产，规划产能是80万片/年（当前产能：8万片/年）。

从英诺赛科分享的测试数据来看，最上方深蓝色的线是目前最好的硅器件，从FOM值来看，氮化镓器件有非常大的提升，也就意味着其功率密度更高，开关损耗更小。

注：FOM值是功率器件一个非常重要的指标，FOM=Rdson*Qg（mOhms.nC)，这个数值是越低越好。首先Rdson是代表整个器件的功能密度，它越小就代表它的功率密度越高,同样这也代表器件的成本。因为如果单片晶圆的体积越小，单片晶圆切割出来的器件就越多，也就是成本降低。另外，Qg是整个功率器件作为开关，所要开启和关断它所需要的能量，这也体现功率器件开关性能的一个指标。这个过程中它是会带来损耗的，就叫做开关损耗。所以，我们可以理解FOM值是对功率器件一个开关性能的综合指标。Rdson体现的是导动阻抗的损耗，Qg体现的是它的开关损耗。

根据目前服务器PSU（电源装置组件）设计的通用能效要求，其转化率最好的是钛金和铂金。除了效率要求外，提高服务器功率密度也很重要。因为对服务器机架来说，更多的机架空间应该为算力做让步。但受限于服务数据中心所使用的机架电源的体型，几乎都是长条形，所以在器件上选择，包括散热、风道设计上存在更大的挑战。

由于GaN无反向恢复特性，可实现高效率CCM图腾柱无桥PFC，兼顾高效率与高功率密度。

许子俊先生表示，传统的高压硅器件在高频下会带来更大的损耗，跟硅器件相比，氮化镓可能提升将近1个点的效率，于2030年数据中心的耗电量可能将达3000TWhr的损失，这1%的提升是非常有意义的。

在数据中心的48V电源模块中，基于GaN应用能提高供电模块的功率密度。许子俊先生指出，与传统数据中心的12V供电架构相比，48V新型架构非常重要的一环，不过新型架构对功率要求的体积非常小。

上文提到氮化镓有着非常优异的开关性能，所以通过氮化镓的高频工作，使磁器件更小，提升模块功率密度，这是传统的硅器件做不到的。另一方面，氮化镓的FOM值非常小，所以这个架构是对氮化镓FOM值的非常典型的体现，通过控制Rdson和Qg的值，实现整个板的变压器到芯片本身的小型化，提升模块功率密度。根据英诺赛科做的相关方的评估表，对比硅器件，GaN的体积可以做到3.5mm*2.13mm(7.45mm²)。

英诺赛科还提供全链路GaN解决方案，有AC-DC(PFC)、DC-DC(400V-48V)、DC-DC(48V-12V)、DC-DC(12V-1V)。

许子俊先生表示，借助英诺赛科强大的IDM能力，可以通过每两代产品升级，使单片晶圆的芯片数量增加到大约 2 倍，我们在未来的时间将继续向氮化镓材料的理论去推进，去为数据中心服务器架构的电源能效的提升，体积缩小，提供更多的可能性。