【導讀】在加密貨幣和人工智能/機器學習（AI/ML）等新興應用的驅動下，數據中心的能耗巨大

，並將快速增長以滿足用戶需求。根據國際能源署（IEA）的最新報告，2022 年數據中心的耗電量將達到 460 TWh（太瓦時），約占全球總用電量的 2%。在美國

，擁有全球三分之一的數據中心，耗電量為 260 TWh，占總用電量的 6%。

在加密貨幣和人工智能/機器學習（AI/ML）等新興應用的驅動下，數據中心的能耗巨大，並將快速增長以滿足用戶需求。根據國際能源署（IEA）的最新報告，2022 年數據中心的耗電量將達到 460 TWh（太瓦時）
，約占全球總用電量的 2%。在美國，擁有全球三分之一的數據中心
，耗電量為 260 TWh

，占總用電量的 6%。

預測未來具有挑戰性
，這取決於部署了多少非常耗電的圖形處理單元（GPU）來應對人工智能技術的需求
，當然還取決於進一步增加空調來降低數據中心的溫度。國際能源署的報告顯示
，到 2026 年
，數據中心的耗電量將至少增長到 650  TWh（40%），但也可能高達 1,050  TWh（128%）。

數據中心支持人工智能趨勢

人工智能是一項極其耗電的技術，支持其運行的數據中心需要具備足夠的算力和電力輸送能力。

瑞典RISE研究機構最近的一項研究清楚地展示了由於該技術迅速普及所帶來的巨大變化。例如
，ChatGPT在2022年11月推出後僅五天內就達到了100萬用戶。他們在兩個月內就擁有了 1 億用戶，而TikTok達到同一用戶量級用了9個月
，Instagram則用了兩年半的時間。

作為參考，在穀歌上進行一次搜索僅需 0.28 Wh，相當於讓一個60W的燈泡亮17秒。 

相比之下
，訓練 GPT-4 需要 1.7 萬億個參數和 13 萬億個tokens（單詞片段），這是一個完全不同的命題。要做到這一點，需要包含 25,000 個英偉達 A100 GPU的多台服務器，每台服務器的功耗約為 6.5 kW。OpenAI 表示
，訓練耗時 100 天

，耗能約 50 GWh
，耗資 1 億美元。

顯然，人工智能將極大地改變數據中心的遊戲規則
，其所需的計算能力和能耗水平將遠遠超過我們迄今為止所看到的任何水平。

數據中心 48V 架構

早期的數據中心采用集中式電源架構 (CPA)，將主電源（電網）電壓集中轉換為 12V（母線電壓），然後將其分配給各服務器，並使用相對簡單的轉換器在本地將其轉換為5V 或 3.3V邏輯電平。

然而，隨著功率需求的增長，12V 母線上的電流（以及相關損耗）變得高得令人無法接受
，迫使係統工程師改用48V 母線布置。根據歐姆定律
，電流減少了 4 倍
，損耗則降低了 4 倍的平方。這種配置被稱為分布式電源架構 (DPA)。

與yu此ci同tong時shi，處chu理li器qi和he其qi他ta一yi些xie元yuan器qi件jian的de電dian壓ya也ye在zai不bu斷duan降jiang低di，最zui終zhong降jiang至zhi亞ya伏fu特te級ji別bie，導dao致zhi需xu要yao多duo個ge次ci級ji電dian壓ya軌gui。為wei解jie決jue這zhe一yi問wen題ti，采cai用yong了le二er階jie轉zhuan換huan技ji術shu，通tong過guoDC-DC轉換器（稱為中間母線轉換器 - IBC）將 48V 電壓轉換為 12V 母線
，再根據需要從 12V 母線輸出其他電壓。

圖1 服務器電源係統的結構

對高能效 MOSFET的需求

數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)內(nei)部(bu)的(de)電(dian)力(li)損(sun)耗(hao)給(gei)運(yun)營(ying)商(shang)帶(dai)來(lai)了(le)挑(tiao)戰(zhan)。首(shou)先(xian)，也(ye)是(shi)最(zui)明(ming)顯(xian)的(de)一(yi)點(dian)是(shi)，他(ta)們(men)正(zheng)在(zai)為(wei)那(na)些(xie)無(wu)助(zhu)於(yu)服(fu)務(wu)器(qi)運(yun)行(xing)的(de)電(dian)力(li)付(fu)費(fei)。其(qi)次(ci)，任(ren)何(he)浪(lang)費(fei)的(de)能(neng)源(yuan)都(dou)會(hui)轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱(re)量(liang)，這(zhe)就(jiu)必(bi)須(xu)設(she)法(fa)處(chu)理(li)。由(you)於(yu)超(chao)大(da)規(gui)模(mo)AI服務器的功率需求高達 120 kW（而且肯定會隨著時間推移而增加），即使在 50％ 負載的情況下
，以 97.5％的峰值效率計算 2.5％ 的損耗，每台服務器也會浪費 1.5 kW的電力，相當於一台全時運行的電加熱器。

處chu理li熱re量liang可ke能neng需xu要yao在zai功gong率lv轉zhuan換huan係xi統tong中zhong采cai取qu散san熱re措cuo施shi，如ru散san熱re器qi或huo風feng扇shan。這zhe些xie措cuo施shi會hui增zeng大da電dian源yuan的de體ti積ji，占zhan用yong本ben可ke用yong於yu更geng多duo計ji算suan能neng力li的de空kong間jian，就jiu風feng扇shan而er言yan，還hai會hui耗hao費fei電dian能neng並bing增zeng加jia成cheng本ben。由you於yu數shu據ju中zhong心xin內nei的de溫wen度du需xu要yao嚴yan格ge控kong製zhi，過guo高gao的de損sun耗hao也ye會hui使shi環huan境jing溫wen度du升sheng高gao，這zhe意yi味wei著zhe需xu要yao更geng多duo的de空kong調tiao來lai降jiang溫wen。這zhe既ji是shi資zi本ben支zhi出chu，也ye是shi運yun營ying成cheng本ben，同tong時shi還hai占zhan用yong空kong間jian。

顯然，盡可能高效地將主（電網）電壓轉換為驅動人工智能 GPU 和其他設備供電所需的電壓，對數據中心運營商來說大有裨益。

因此，多年來人們在電源拓撲結構方麵做了大量工作
，在前端 PFC 階段引入了圖騰柱PFC (TPPFC) 等技術，以提高其效率。此外，為了提高效率，二極管整流器已被 MOSFET 所取代
，並引入了同步整流等技術。

優化拓撲結構隻是其中的一半
，要優化效率，所有元件也必須盡可能高效，尤其是對轉換過程至關重要的 MOSFET。

當 MOSFET 用於開關電源轉換時，主要有兩種形式的損耗：導通損耗和開關損耗。導通損耗由漏極和源極之間的電阻（RDS(ON)）造成，在電流流動時一直存在。開關損耗是由柵極電荷 (Qg)、輸出電荷 (QOSS) 和反向恢複電荷 (Qrr) 共gong同tong造zao成cheng的de，這zhe些xie電dian荷he在zai每mei個ge開kai關guan周zhou期qi都dou會hui得de到dao補bu充chong。由you於yu目mu前qian的de趨qu勢shi是shi提ti高gao開kai關guan頻pin率lv以yi減jian小xiao磁ci性xing元yuan件jian的de尺chi寸cun
，因yin此ci隨sui著zhe補bu充chong頻pin率lv的de增zeng加jia，這zhe種zhong損sun耗hao也ye會hui變bian得de相xiang當dang顯xian著zhu。

顯然，特定 MOSFET 的導通損耗和開關損耗越低，電源係統的整體轉換效率就越高。

PowerTrench® T10 MOSFET 簡介

同步整流現在已成為所有高性能、大電流、低壓電源轉換應用中的關鍵技術，特別是在數據中心服務器的應用中更是如此。在這種應用中
，包括RDS(ON)、Qg、QOSS和Qrr在內的幾個MOSFET參數會直接影響轉換效率，器件製造商正努力尋求減小這些影響的方法。

安森美的 PowerTrench T10 MOSFET 采用新型屏蔽柵極溝道設計
，實現了超低的 Qg 值，且 RDS(ON) 低於 1mOhm 。最新的 PowerTrench T10 技術不僅減少了振鈴、過衝和噪聲，其業界先進的軟恢複體二極管還降低了 Qrr。這在導通電阻性能和恢複特性之間實現了良好的折中平衡，同時還可實現具有良好反向恢複特性的低損耗快速開關。

總體而言，PowerTrench T10 器件在參數方麵的改進提高了中低壓、大電流開關電源解決方案的效率。通常情況下
，開關損耗比上一代器件最多可降低 50%，而導通損耗可降低 30%-40%。

安森美推出了PowerTrench T10技術的40V係列和80V係列產品。NTMFWS1D5N08X（80V、1.43mΩ、5mm x 6mm SO8-FL 封裝）和 NTTFSSCH1D3N04XL（40V
、1.3mΩ
、3.3mm x 3.3mm 源下雙冷卻封裝）為人工智能數據中心應用中的電源單元（PSU）和中間母線轉換器（IBC）提供了同類極佳的效率（FOM）。它們達到了開放式機架（Open Rack） V3 規範要求的 97.5% 的 PSU 效率和 98% 的 IBC 效率。

圖 2  PowerTrench T10 MOSFET 的優勢

結語

人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)革(ge)命(ming)已(yi)經(jing)到(dao)來(lai)，沒(mei)有(you)人(ren)能(neng)夠(gou)完(wan)全(quan)確(que)定(ding)它(ta)對(dui)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)未(wei)來(lai)的(de)電(dian)力(li)輸(shu)送(song)需(xu)求(qiu)究(jiu)竟(jing)意(yi)味(wei)著(zhe)什(shen)麼(me)。不(bu)過(guo)，可(ke)以(yi)肯(ken)定(ding)的(de)是(shi)，一(yi)係(xi)列(lie)新(xin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)已(yi)經(jing)出(chu)現(xian)。房(fang)地(di)產(chan)資(zi)源(yuan)稀(xi)缺(que)和(he)電(dian)網(wang)的(de)限(xian)製(zhi)使(shi)得(de)很(hen)難(nan)找(zhao)到(dao)容(rong)量(liang)充(chong)足(zu)的(de)新(xin)地(di)點(dian)。關(guan)鍵(jian) IT fangmiandezongtidianlixuqiujizeng，geidianlichengbendailaichenzhongfudan。weilemanzuzhexiexuqiu，shujuzhongxinyezhubujinyaojianshexinsheshi，haiyaojiangxianyousheshituixiangjixian，liqiushixianmeipingfangyingchizhaowajidegaomidupeizhi。

隨著功率水平肯定會超過 100 kW
，功率轉換將成為關鍵重點，以實現高效運行
，確保散熱
，可靠地提高功率密度，並在狹窄的現代數據中心中節省空間。

安森美的 PowerTrench T10 技術提供了業界先進的 RDS(ON)、更高的功率密度、降低開關損耗，以及更好的熱性能

，從而降低總係統成本。PowerTrench T10 等創新功率半導體技術將成為未來的關鍵組成部分。

（作者：安森美高級總監，Aditya Jian）

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