提升电能转换效率以满足人工智能应用需求

AI 数据中心面临的电力挑战

电力是现代社会和经济运作的核心，随着对电动车和人工智能应用需求的不断增加，其重要性只会持续上升。目前，发电是全球二氧化碳（CO2）排放的最大来源，但通过太阳能和风能等可再生能源的快速扩展，发电也能够引领向净零排放的转型。在减少全球二氧化碳排放的同时，确保消费者能够安全且负担得起地获得电力，是能源转型的核心挑战之一。

根据国际能源署（IEA）的数据，数据中心在2022年消耗了约占全球总电力的2%，大约为460太瓦时（TWh）。随着加密货币以及人工智能/机器学习（AI/ML）等能耗密集型应用的兴起，这一数字预计将迅速增长。这一能耗的激增主要基于这些技术中高性能图形处理单元（GPU）的部署。IEA预测，到2026年，数据中心的电力消耗至少会达到650 TWh，但超过1,000 TWh的可能性也并非不可能。

人工智能领域的增长速度令人惊叹。ChatGPT在上线的前五天内就达到了100万用户，两个月内达到了1亿用户，其增长速度远远超过了TikTok和Instagram。训练GPT-4需要1.7万亿参数，并使用了13万亿个数据标记，这一过程需要25,000台NVIDIA A100 GPU，每台服务器消耗约6.5千瓦。据OpenAI称，这次训练耗时100天，消耗了50 GWh的能源，并花费了1亿美元。

早期的数据中心将电网电压集中转换为12V，并通过总线将其传输到服务器，在服务器内完成逻辑级别转换（3.3/5V）。随着电力需求的增加，这种方法导致了过多的损耗。随后，总线电压增加到48V，电流减少了4倍，损耗减少了16倍。

当处理器电压降至低于3.3V的亚伏水平时，需要多个电压轨来承载相对较高的功率。这导致了一个两级转换过程，其中一个DC-DC转换器（称为中间总线转换器（IBC））将48V转换为12V本地总线，然后再进行更低电压的转换。

人工智能数据中心需要高效的电能转换

由于人工智能数据中心的高性能计算和广泛的数据处理需求，其电能转换要求尤为重要。人工智能数据中心需要处理大量数据和复杂的计算任务，这意味着它们需要高效率和高密度的电能转换系统。高效的电能转换器可以减少能源损耗，从而提高整个系统的性能和效率。

数据中心的运行需要高度稳定且可靠的电源供应。电源转换器必须在各种负载条件下提供稳定的电压和电流，以确保服务器及其他设备的正常运行。此外，高效的电源转换系统能减少热量产生，但依然需要有效的热管理。优化的散热设计有助于将系统温度保持在安全范围内，从而延长设备的使用寿命并提升性能。

随着人工智能应用的快速发展，数据中心的需求也在不断增长。电能转换系统需要具备良好的可扩展性，以灵活适应未来的扩展需求。特别是考虑到人工智能数据中心的巨大能耗，能源效率管理是降低运营成本和环境影响的关键。高效的电能转换器可以显著减少能耗并提高能源利用效率。

为了确保数据中心的高可用性，电力转换系统通常需要设计冗余，以应对潜在的电力故障。冗余设计可以提供备份电源，在主电源发生故障时快速切换，确保系统的连续运行。此外，随着环境意识的提高，越来越多的数据中心开始采用绿色能源，例如太阳能和风能。高效的电力转换系统可以更好地整合这些可再生能源，提高整体能源效率并减少碳足迹。

在电力转换过程中，功率损耗是不可避免的现象。这些损耗导致能源浪费、成本增加，同时产生热量，需要额外的空间和费用来管理。在运行可能需要120千瓦机架功率的超大规模AI数据中心时，从电网电力转换为GPU电压的效率约为88%，这会产生15千瓦的废热，必须通过液体冷却来管理。

效率和功率密度（密切相关）是服务器电源设计中的关键术语。来自主电网的能量必须以最小的损耗转换为有用的电力。为实现这一目标，拓扑结构不断发展，正在开发诸如同步整流等技术，且MOSFET正在取代整流器中的高损耗二极管。

增强拓扑结构只是成功的一半；为了优化效率，所有组件都必须尽可能高效，尤其是对转换过程至关重要的MOSFET。MOSFET并非无损器件；在导通和开关过程中都会产生损耗。随着服务器电源向更高频率操作转变以减小体积，开关损耗成为改进的关键重点。

高效的onsemi PowerTrench® MOSFET

硅MOSFET通过栅极电压控制源极和漏极之间的电流。由于其高效性、速度和功率处理能力，它们被广泛应用于功率放大器、稳压器和开关电路中。onsemi 的低至中压 T10 PowerTrench® MOSFET 采用最新的屏蔽栅沟槽技术，减少了开关和导通损耗，从而显著降低了Qg和低于1毫欧的R_DS(ON)。行业领先的软恢复体二极管减少了振铃、过冲和噪声以及Qrr损耗，在快开关应用中实现了性能和恢复的平衡。与早期器件相比，这些新型MOSFET可将开关损耗降低高达50%，导通损耗降低超过30%。

onsemi 最新的 40V 和 80V T10 PowerTrench 器件提供业界领先的导通电阻 R_DS(ON)。NTMFWS1D5N08X（80V，1.43mΩ，5mm x 6mm SO8-FL 封装）和 NTTFSSCH1D3N04XL（40V，1.3mΩ，3.3mm x 3.3mm 源向下双面散热封装）具有卓越的优值（FOM），使其非常适用于 AI 数据中心应用中的电源单元（PSU）和中间总线转换器（IBC）。T10 PowerTrench MOSFET 符合严格的 Open Rack V3 效率规范，要求效率达到 97.5% 或更高。

具有更好性能的低/中压MOSFET

安森美（onsemi）推出的低/中压MOSFET，特别是NTMFWS1D5N08X，是功率型单路N沟道MOSFET，具有标准栅极(STD)，采用SO8FL-HEFET封装。它支持80V、1.43mΩ和253A。这款T10 80V MOSFET在80V市场中属于同类产品中的佼佼者，是云电源、5G电信、其他电源应用、DC/DC转换器以及工业应用的理想解决方案。它提供更好的性能，提升系统效率和高功率密度，尽管其低性能特性稍显不足。

NTMFWS1D5N08X 提供了 FOM、Rsp 和功率密度方面的改进，可提升性能并降低成本。其较低的 Rsp、低 Qg/Qgd 以及更低的 Qgd/Qgs 能通过减少驱动损耗来提高整体效率。较低的 R_DS(ON) 将传导损耗降至最低，而较低的 Qoss 和 Qrr 则改善了开关损耗。更柔和的恢复二极管和较低的 Qrr 可减少振铃、过冲以及噪声，提高稳健性，同时在快速开关应用中提供出色的无钳位感性开关 (UIS) 性能，以增强雪崩坚固性。这些器件均为无铅、无卤素/BFR 并符合 RoHS 标准。

NTMFWS1D5N08X 适用于DC-DC和AC-DC同步整流（SR）以及隔离式DC-DC转换器和电机驱动中的主开关。常见的终端产品包括电信电源、云电源、服务器电源、数据中心、电机驱动、太阳能电源和不间断电源（UPS）。

onsemi 的另一款低/中压 MOSFET 是 NTTFS2D1N04HL，这是一款支持 40V、150A 和 2.1mΩ 的 N 沟道屏蔽栅极 PowerTrench® MOSFET。这款 N 沟道中压 MOSFET 采用先进的 PowerTrench® 技术并结合了屏蔽栅极技术。该工艺经过优化，可在保持出色开关性能的同时将导通电阻降至最低。

NTTFS2D1N04HL 采用屏蔽栅极 MOSFET 技术，在 V_GS = 10V 且 I_D = 23A 时，最大 R_DS(on) 为 2.1mΩ；在 V_GS = 4.5V 且 I_D = 18A 时，最大 R_DS(on) 为 3.3mΩ，能够降低开关噪声和电磁干扰（EMI）。它具有坚固的封装设计，符合 MSL1 等级要求，100% 通过 UIL 测试，并符合 RoHS 标准。NTTFS2D1N04HL 兼具多功能性，适用于多种不同的应用，常见终端产品包括 DC-DC 电源模块和中压同步降压转换器。

结论

在当今快速发展的人工智能时代，提高功率转换效率至关重要。高效率的功率转换技术不仅能够满足人工智能应用对高性能计算和海量数据处理的需求，还能够显著降低能源消耗和运营成本，从而实现更可持续、更环保的目标。通过不断创新并采纳先进的电源管理解决方案，我们可以在性能与效率之间找到平衡，确保人工智能技术在各个领域的持续发展和最大化效益。因此，投资于提升功率转换效率不仅是技术进步的需求，也是推动人工智能革命的重要组成部分。

安森美（onsemi）推出的低至中压PowerTrench® MOSFET产品系列，凭借其卓越的性能，可应用于数据中心的人工智能（AI）应用中，提供出色的电能转换效率，成为相关应用的理想选择之一。