AI算力正以每3.4個(gè)月翻一番的速度狂飆，全球數(shù)據(jù)中心用電量持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)到2030年將占全球耗電量的7%，電力已成為制約AI產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心瓶頸。單機(jī)柜功率從傳統(tǒng)的5-8kW躍升至數(shù)百kW，GPU功耗不斷突破上限，供電鏈路的損耗、散熱壓力與空間占用，成為算力擴(kuò)張路上繞不開(kāi)的難題。

行業(yè)迫切需要一場(chǎng)供電架構(gòu)革命，去年5月，英偉達(dá)率先給出了答案——自2027年起推動(dòng)機(jī)架電源從54V直流全面轉(zhuǎn)向800V高壓直流架構(gòu)，以支撐單機(jī)架功率超1MW的下一代超大規(guī)模AI算力部署。

800V架構(gòu)的核心價(jià)值，是通過(guò)提升母線電壓大幅降低傳輸損耗，同時(shí)將PSU集中部署釋放機(jī)架空間給計(jì)算設(shè)備，讓每一寸空間都服務(wù)于算力。

但這一變革對(duì)功率器件提出了高壓、高頻、高密度的嚴(yán)苛要求，傳統(tǒng)Si器件在高頻場(chǎng)景下?lián)p耗高、體積大，SiC雖能應(yīng)對(duì)高壓，卻在開(kāi)關(guān)速度與反向恢復(fù)特性上存在短板，而GaN 憑借材料物理優(yōu)勢(shì)，恰好破解了Si與SiC都難以解決的核心痛點(diǎn)。

GaN擁有極高的電子遷移率，可實(shí)現(xiàn)極快開(kāi)關(guān)速度，且具備零反向恢復(fù)電荷，能在極小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高效率轉(zhuǎn)換，完美適配800V架構(gòu)下高密度、高效率的供電需求，成為AI數(shù)據(jù)中心供電升級(jí)的最優(yōu)解。這也解釋了為什么在800V高壓直流AI數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中，中間總線轉(zhuǎn)換器成為了GaN的甜蜜點(diǎn)。

為了厘清GaN在數(shù)據(jù)中心的真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景與不可替代的核心價(jià)值，與非網(wǎng)主分析師夏珍，特邀英飛凌科技高級(jí)副總裁、氮化鎵業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Johannes Schoiswohl博士展開(kāi)深度對(duì)話。本文將以工程師視角，層層拆解、系統(tǒng)剖析。

圖 | 英飛凌科技高級(jí)副總裁、氮化鎵業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Johannes Schoiswohl博士

01GaN的認(rèn)可，始于PSU

GaN具體部署在哪些環(huán)節(jié)？讓我們沿著從電網(wǎng)到GPU的供電鏈路，逐一來(lái)看。

傳統(tǒng)上，GaN在電源單元（PSU）中的表現(xiàn)已備受認(rèn)可。在當(dāng)前主流架構(gòu)中，PSU完成交流到直流的轉(zhuǎn)換，輸出48V母線電壓，再經(jīng)過(guò)中壓中間母線轉(zhuǎn)換器（IBC）降至12V，最后由負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器（PoL）為GPU、CPU、內(nèi)存等芯片就近供電。

這套鏈路里，PSU被安置在機(jī)架內(nèi)部，是整個(gè)供電系統(tǒng)的第一道轉(zhuǎn)換關(guān)口，既要穩(wěn)定輸出48V母線電壓，又要在機(jī)架有限空間內(nèi)控制損耗與發(fā)熱。

正是在這樣的工程約束下，GaN憑借高頻、低損耗、小尺寸的綜合優(yōu)勢(shì)，率先在PSU場(chǎng)景中站穩(wěn)腳跟，成為行業(yè)公認(rèn)的高效電源升級(jí)方案。也讓數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域第一次大規(guī)模驗(yàn)證了GaN在大功率供電場(chǎng)景下的可靠性與性價(jià)比。

到了800V HVDC架構(gòu)，情況發(fā)生了根本性變化。目前主要有兩條技術(shù)路徑預(yù)設(shè)：方案A將PSU移至機(jī)架側(cè)掛的外掛式集中供電單元（Power Sidecar）中，輸出800V直流，再經(jīng)由高壓IBC降至48V，然后接入中壓IBC和PoL；方案B則采用固態(tài)變壓器（SST）替代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，直接將13.8kV交流電一步轉(zhuǎn)換為800V直流，再由高壓IBC一步轉(zhuǎn)換至12V甚至更低。

在這套系統(tǒng)中，PSU與SST的定位已經(jīng)和傳統(tǒng)架構(gòu)完全不同，GaN的角色也隨之重新定義。

在方案A的Power Sidecar集中式PSU里，因?yàn)椴渴鹪跈C(jī)架外部、空間與散熱條件相對(duì)寬松，且以三相大功率、高效率為核心目標(biāo)，這里并不是GaN的主場(chǎng)，更多是SiC與高端Si器件發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)景。

而SST需要以高頻化、模塊化的方式實(shí)現(xiàn)高壓交流電到800V直流電的直接轉(zhuǎn)換，對(duì)器件的高頻特性、開(kāi)關(guān)損耗、功率密度提出了遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工頻變壓器的要求，所以SST的高壓前端將以SiC為主流選擇。與此同時(shí)，隨著架構(gòu)向更高頻率、更高集成度演進(jìn)，GaN 則會(huì)在 SST 之后高壓轉(zhuǎn)中壓的 IBC等關(guān)鍵環(huán)節(jié)成為剛需，這一點(diǎn)我們會(huì)在后續(xù)內(nèi)容中進(jìn)一步展開(kāi)討論。

再往前看一步，單級(jí)AC-DC架構(gòu)正在成為一種趨勢(shì)。 這種架構(gòu)依賴一種稱為“循環(huán)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹钡男滦碗娐?，其核心器件是高壓GaN雙向開(kāi)關(guān)。

英飛凌已經(jīng)量產(chǎn)這類產(chǎn)品，將兩個(gè)背對(duì)背開(kāi)關(guān)單片集成在一顆器件里，這是只有GaN工藝才能實(shí)現(xiàn)的一體化設(shè)計(jì)。改用單級(jí)轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)從傳統(tǒng)PFC+DC-DC雙級(jí)架構(gòu)精簡(jiǎn)為一級(jí)轉(zhuǎn)換，體積更小、效率更高、元器件數(shù)量更少，可靠性也隨之提升。

不過(guò)要明確的是，英飛凌這款高壓GaN雙向開(kāi)關(guān)目前的主力落地場(chǎng)景并非僅針對(duì)AI數(shù)據(jù)中心，而是將率先在光伏微型逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、車載充電器OBC等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用，也是這些場(chǎng)景在推動(dòng)單級(jí)架構(gòu)快速成熟。而在AI數(shù)據(jù)中心側(cè)，單級(jí)AC-DC仍處于前瞻拓?fù)涮剿麟A段，但對(duì)于功率等級(jí)超過(guò)10kW的AI和企業(yè)級(jí)服務(wù)器來(lái)說(shuō)，這扇門(mén)已經(jīng)打開(kāi)。

02不止于PSU，GaN正在向BBU和IBC延伸

“GaN真正成為剛需、不可替代的位置，還是集中在服務(wù)器板上高壓IBC、中壓IBC、電池備份單元（BBU）這些對(duì)高頻、高密度、大降壓比最敏感的環(huán)節(jié)，這也是GaN在AI數(shù)據(jù)中心供電里最確定、最主流的價(jià)值所在。” Johannes坦誠(chéng)道。

這意味著，如今GaN在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用已不再局限于PSU。

在傳統(tǒng)架構(gòu)中，BBU扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)交流電網(wǎng)出現(xiàn)故障、發(fā)電機(jī)尚未啟動(dòng)的那幾分鐘里，BBU需要為整機(jī)架GPU提供不間斷供電，保障算力不中斷、業(yè)務(wù)不掉線。

如今GPU功耗不斷攀升，BBU需要支撐的功率也隨之激增，可機(jī)架內(nèi)留給它的安裝空間卻始終固定，沒(méi)有任何擴(kuò)容余地。想要在不變的體積內(nèi)容納更大備電能力，唯一途徑就是放入更多的電池電芯——這意味著留給DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)的空間更少了。

對(duì)此，Johannes表示：“想要在更有限的空間里實(shí)現(xiàn)更高功率轉(zhuǎn)換，就必須提升開(kāi)關(guān)頻率，以此縮小電容、電感等被動(dòng)元件的體積，同時(shí)又不能帶來(lái)額外的溫升與損耗。面對(duì)這種既要提升功率、又要壓縮尺寸、還要嚴(yán)控發(fā)熱的多重約束，GaN恰好成為最貼合需求的理想選擇?！?/p>

“尤其BBU普遍采用升降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，GaN憑借高頻低損耗、零反向恢復(fù)電荷的特性，能在提升頻率的同時(shí)控制發(fā)熱，讓更小體積的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)更高效率。英飛凌也針對(duì)這一場(chǎng)景推出了局部功率電池備份單元拓?fù)洌?/strong>可進(jìn)一步釋放BBU的功率密度潛力?！?/p>

對(duì)于中壓IBC環(huán)節(jié)，挑戰(zhàn)是類似的，而GaN的使用能將轉(zhuǎn)換效率推至當(dāng)前技術(shù)的最優(yōu)水平。

Johannes舉例道：“以一個(gè)5kW機(jī)架為例，所有供電都必須經(jīng)過(guò)IBC，借助英飛凌采用的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌?/strong>相比傳統(tǒng)Si器件，GaN可將該環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率提升1%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換損耗直接降低30%?！?/p>

Johannes特別提到，中壓GaN的市場(chǎng)價(jià)值目前是被低估的，在100V和80V這兩個(gè)電壓等級(jí)中，沒(méi)有Si器件能與之匹敵。在同樣的5mmx6mm行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝下，100V GaN的芯片面積幾乎是Si的一半，柵極電荷小70%，輸出電荷同樣大幅減少，而且沒(méi)有反向恢復(fù)電荷。英飛凌還在同一封裝內(nèi)集成了整流二極管，正向壓降非常小。

“在每個(gè)使用100V器件的應(yīng)用中，使用GaN都會(huì)得到更好的系統(tǒng)解決方案。”Johannes說(shuō)。不過(guò)，隨著中國(guó)市場(chǎng)在機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的快速推進(jìn)，中壓GaN的采用有望加速，市場(chǎng)上后續(xù)也會(huì)推出60V和40V的細(xì)分產(chǎn)品。

到了800V架構(gòu)，BBU的需求也發(fā)生了變化。 采用高壓電池組直接輸出800V直流，對(duì)GaN的耐壓要求隨之提升。傳統(tǒng)單向方案已無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)雙向能量流動(dòng)、高密度與高可靠性的要求，高壓雙向開(kāi)關(guān)（BDS） 就此成為關(guān)鍵支撐。

面向這一場(chǎng)景，英飛凌 CoolGaN? BDS 提供了可工程化的實(shí)現(xiàn)路徑。這款高壓 GaN 雙向開(kāi)關(guān)采用共漏極設(shè)計(jì)與雙柵極結(jié)構(gòu)，基于成熟可靠的柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)，能夠在同一漂移區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向電壓阻斷，用單顆器件完成傳統(tǒng)背靠背方案的功能。

相比背靠背分立方案，CoolGaN? BDS在芯片面積、導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)損耗、寄生電感上都具備明顯優(yōu)勢(shì)，更適合800V高壓、高功率密度、有限空間下的BBU設(shè)計(jì)。

Johannes強(qiáng)調(diào)，CoolGaN? BDS的落地不是一個(gè)小進(jìn)步，而是一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新——“它的重要性和新穎性堪比當(dāng)年的CoolMOS??！痹谂浜细邏篜PC拓?fù)涞那闆r下，還可以進(jìn)一步優(yōu)化BBU的功率密度。

而對(duì)于高壓IBC這一新興應(yīng)用，Johannes透露，基于英飛凌新一代GaN的電源方案可實(shí)現(xiàn)98.2%-98.5%的峰值效率，即便在20%輕載條件下，效率仍能穩(wěn)定保持在97%以上。這種全負(fù)載區(qū)間的高效表現(xiàn)，正是AI數(shù)據(jù)中心客戶降低總擁有成本的核心訴求。

03從Si到GaN遷移，工程師面臨挑戰(zhàn)

講了這么多GaN的必要性和優(yōu)勢(shì)，我們不得不面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：工程師將GaN器件集成到原本為Si設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)遇到哪些挑戰(zhàn)？

Johannes認(rèn)為，最大的挑戰(zhàn)不是GaN器件本身有多難用，而是設(shè)計(jì)需要時(shí)間，而工程師通常沒(méi)有那么多時(shí)間。

Johannes指出，系統(tǒng)工程師在應(yīng)用GaN器件時(shí)，必須首先解決幾個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題——PCB布局必須極為潔凈，寄生電感應(yīng)盡可能消除，尤其是柵極回路中的寄生參數(shù)。簡(jiǎn)單地將系統(tǒng)中的Si器件直接替換為GaN器件，僅調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電壓，這種做法通常難以奏效。原因在于系統(tǒng)中寄生參數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率無(wú)法提升到足夠高的水平，從而無(wú)法發(fā)揮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢(shì)。

與Si和SiC器件相比，GaN器件的閾值電壓更低、開(kāi)關(guān)速度更快，因此對(duì)噪聲耦合更為敏感。所以，只有從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段就針對(duì)GaN器件進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化，才能真正釋放其性能潛力。

此外，在熱管理方面，使用GaN器件后情況也會(huì)發(fā)生變化。

Johannes指出，在傳統(tǒng)功率系統(tǒng)中，半導(dǎo)體（Si MOS）通常是板子上最熱的點(diǎn)，散熱全都圍著它做。但采用GaN方案之后，即便在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，器件自身的發(fā)熱反而大幅降低，熱量不再集中于芯片，而是更均勻地分布在整個(gè)系統(tǒng)中。

這意味著過(guò)去集中冷卻半導(dǎo)體器件的策略需要調(diào)整，轉(zhuǎn)而面向整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行均勻散熱。有客戶在實(shí)際應(yīng)用中反饋，使用GaN方案后，最熱的器件變成了磁性元件。

這也引出了對(duì)磁性元件的重新思考。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率提升到700kHz、800kHz甚至MHz以上時(shí)，工程師必須尋找合適的磁性元件，并與供應(yīng)商確認(rèn)它們能否承受如此高的開(kāi)關(guān)頻率。

04規(guī)模化，是GaN的下一個(gè)關(guān)口

GaN很好，但為什么GaN規(guī)模化普及的進(jìn)度沒(méi)有想象中快？

除了以上提到的系統(tǒng)應(yīng)用挑戰(zhàn)外，最大的攔路虎還是價(jià)格問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，GaN受限于材料成本偏高、制造工藝更復(fù)雜，疊加硅基器件長(zhǎng)期形成的規(guī)模效應(yīng)，價(jià)格一直顯著高于傳統(tǒng)Si器件。盡管GaN在系統(tǒng)端已經(jīng)充分驗(yàn)證了效率、體積與總擁有成本優(yōu)勢(shì)，但想要進(jìn)一步打開(kāi)更廣闊的市場(chǎng)，持續(xù)的成本下探仍是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

圖 | 英飛凌300mm GaN 技術(shù)

Johannes 表示，英飛凌正通過(guò)規(guī)?；圃炱平獬杀倦y題，其中最核心的舉措，就是推進(jìn)全球首款300mm GaN功率晶圓的量產(chǎn)。相比傳統(tǒng)規(guī)格，單片晶圓的芯片產(chǎn)出量可提升至原來(lái)的2.3倍，直接推動(dòng)GaN成本向硅基器件快速靠近。他還透露，英飛凌計(jì)劃在明年年底啟動(dòng)300mm 100V GaN器件的量產(chǎn)，目前首批樣品已完成流片，正交由合作伙伴與客戶進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

05寫(xiě)在最后

回到最初的問(wèn)題：當(dāng)AI數(shù)據(jù)中心邁入800V供電架構(gòu)時(shí)代，為什么必須用GaN？

答案已經(jīng)清晰。AI數(shù)據(jù)中心正朝著更高功率、更小外形尺寸的方向演進(jìn)，而工程師們真正想要的是在計(jì)算板上進(jìn)行計(jì)算，而不是一堆供電的東西。供電部分需要盡可能小，理想情況下幾乎完全消失——實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是提高頻率并縮小尺寸。

這恰恰是GaN的完美用武之地。