GaN將在數據服務器中挑起效率大梁

雖然增加可再生能源是全球的大趨勢，但這還不夠，能源效率是另一個重點領域，這是因為服務器及其冷卻系統對能源消耗，占據了數據中心將近40%的運營成本。GaN具有獨特的優勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數據中心的配電和轉換、節能、減少對冷卻系統的需求，并最終使數據中心更具成本效益和可擴展性。

數字化和云端服務的快速建置推動了全球數據服務器的產業規模的成長。今天，數據服務器消耗了全球近1%的電力，這個數字預計會不斷的成長下去。次世代的產業趨勢，例如虛擬世界、增強實境和虛擬現實，所消耗大量電力將遠超現今地球上所能生產的能源。在21世紀初，Rack或Blade服務器PSU的功率規模在200~300W左右，而當時CPU的功耗則為30W至50W之間(圖一)。

雖然增加可再生能源是全球的大趨勢，但這還不夠，能源效率是另一個重點領域，這是因為服務器及其冷卻系統對能源消耗，占據了數據中心將近40%的運營成本。另一方面，數據服務器的耗能標準也朝向更高的效率發展。開放運算計劃（OCP）3.0就是為了降低能耗的硬件，所提供進一步的優化規范，包括80 Plus白金和鈦認證，以及歐盟的歐洲生態設計（ErP）第9批法規也在積極地被討論中。

 
圖一 : CPU的功耗趨勢。（source：NATIONAL ACADEMY）

服務器對電源的需求，5年將成長3倍
目前許多服務器設計正從Rack的48V隔離、調節式的DC/DC變壓器轉換為非隔離、未調節的48V DC/DC。服務器內部的空間非常寶貴，尤其是那些為了執行高階運算功能而設計的服務器，對功率的要求也越來越高。同時部分GPU對電源轉換更有著額外的要求，例如在某些工作條件下需要0.6V的電壓。

這些嚴格的功率要求使得基本的功率轉換結構必須改變，因此在電路空間有限下，高功率密度架構成為電源系統設計者的目標。

以今天的主流來看，服務器CPU的功耗約為200W，散熱設計功率也接近到了300W，因此服務器PSU的功率規模將被大幅度的增加到800~2000W。更進一步，為了滿足越來越多例如云端運算、AI運算等的服務器計算要求，使得服務器必須支持GPU與CPU協同作業，預計5年內，服務器的電力需求將增加到3000W以上，甚至在不久的將來，數據中心PSU的功率更將大幅增加到5000W以上。

自2004年以來，以80 Plus標準為PC和服務器電源供應系統提供了80%以上效率的認證。目前量產的服務器電源大多能達到80 Plus Gold（>92%效率）的要求，有些甚至可以達到80 Plus Platinum（>94%效率）的要求。而接下來正在開發更高的80 Plus Titanium規格的服務器PSU，該規格要求在半負載下達到96%以上的峰值效率(表一)。

表一：各種80 Plus規格 (230V Internal Redundant)。（source：CLEAResult）

另外，根據數據中心電源供應系統所遵循的OCP開放機架(Open-Rack)規范，電源供應系統需要達到97.5%以上的峰值效率。因此，需要新一代的拓撲結構，如無橋式功率因素校正（PFC）和軟切換式變壓器，以及碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料技術所量產的電源管理用芯片，都將幫助PSU實現80 Plus Titanium和開放運算的效率目標。

半導體的過去和現在：從鍺到硅到化合物
半導體組件的歷史可以追溯到1950年左右推出的點接觸電晶體。鍺是當時半導體產品的主要材料，但在后來，具有更優異特性的硅取代了鍺，并一直被廣泛使用到今天。伴隨著半導體制造設備的精密度提升，和組件結構、晶圓制程的優化下，硅半導體產品也在不斷發展，促進了我們日常生活中電子產品的小型化和先進化。

但是面對今天對于高效半導體的需求，硅基材料已經無法滿足所有的架構特性，特別是在功率半導體領域，物理特性大大超過硅基半導體的化合物半導體，因此在過去的幾年中，化合物半導體元的件開發和實際應用方面已經取得了相當程度的進展。

 
圖二 : SiC/GaN組件將逐漸跨大其應用范圍。（source: Sanken Electric；作者整理）

硅是一種相當普遍的單一化學物質；相反，SiC是碳與硅的混合物，而GaN則是鎵與氮的混合物。由于這個原因，使用這些混合材料生產的半導體就被稱為「化合物半導體」，或是「次世代半導體」。

SiC化合物半導體
SiC是一種利用碳材料來代替一半硅的化合物，其晶體結構卻比單晶硅更穩定。因此，SiC可以提供較高的介電擊穿場強，可以大幅薄化活性層。讓組件具有更高的擊穿電壓特性，和比傳統硅組件更低的損耗。作為硅IGBT的替代品，SiC在大電流和高耐壓領域越來越受歡迎。具體來說，有望在10kW或更大功率應用被廣泛采用，同時在制造更小、更輕的系統方面也有很大的優勢，例如功率調節器、電源管理系統等(圖三)。

 圖三 : Planer MOSFET的結構。盡管Si和SiC的 MOSFET結構幾乎相同，但SiC的傳導損耗卻相當低。(source：Dempa；作者整理)

第2代和第3代 MOSFET制程技術都為平面式，由于結構非常簡單，因此具有制程相當簡單、低成本，和高可靠性的特點。因此透過采用SiC材料，可使得第3代MOSFET可擁有最低的傳導損耗。

GaN化合物半導體
GaN的最初是被應用于藍光LED和雷射二極管。后來逐漸被擴大到通訊用射頻，甚至現在越來越多的功率轉換電路都可以看到GaN 的身影。

使得愈來愈多的業者積極投入GaN半導體制程的研發，因此GaN功率組件已成為第三代半導體產業中成長最快的類別。根據TrendForce的資料預計， 2021年GaN功率組件市場規模將達到8300萬美元，同期比成長高達73%。

雖然功率組件普遍被認為低調地存在各種系統電源管理電路之中，但實際上卻是掌握著電源管理關鍵的重要組件。例如，低電阻和電容可以提高功率轉換效率，為數據服務器的工作負載提供更多功率。而不是產生更多的熱量，因為這將增加數據中心的冷卻需求。而低電阻和電容可讓每瓦執行更多的數據服務器操作。此外，由于每個開關周期儲存的能量減少，和高速頻率開關，更能大幅度減少儲電被動組件的尺寸和重量。因此化合物半導體在服務器電源管理的寄予厚望，期待帶來具有突破性的效能提升。

在有限的空間內 透過功率密度提高性能
與SiC相比，GaN具有更穩定的鍵合結構，雖然擊穿電壓不能像SiC組件那樣高，但卻適用于高頻領域。透過高頻率下開關，可縮小電感和其他外圍組件。

電子系統對功能的需求增加往往超過可用能量。這需要提高在額定外形尺寸（或功率密度）下處理的功率量，當然可以透過更高的效率和開關頻率來實現。不過，因為GaN材料功率芯片的出現，電源設計人員樂于透過這樣的組件，將更多功率壓縮到更小的空間中，來提高效率并改善熱性能。因此電源系統設計人員相當樂于將GaN應用在電源等方面，透過更高的密度和效率來提升效能。

GaN繼續擴展在云端服務器上高速通訊的應用
就如上述，得力于透過GaN技術的進步，再加上電磁學和散熱管理方面的改進，使得高效能的這個目標得以加速實現。圖四是最新版本的48 - 12 V非調控DC/DC的布局和物理結構。利用所有三個尺寸將變壓器置于主動電路的頂部，這樣可以節省空間，并減少電阻損失。并且峰值效率達到98%，另外加上有效的散熱管理，使這個尺寸為22.8mm × 17.5mm × 7.5mm的微型變壓器能夠提供高達1 kW的功率。

 
圖四 : 1kW 48V–12V LLC 變壓器。（source：Data Center Dynamic）

為了實現AIoT應用，需要更快的射頻功率放大器應用在云端服務器上，以及由傳感器、執行器和微控制器組成的網絡邊緣，此外，這些功能中的每一個關鍵性IC，更能將異構整合到特定應用的系統中。

和電源電路一樣，與傳統的硅半導體相比，由GaN和GaAs制成的射頻功率放大器也具有許多性能優勢，例如更高的開關速度、低R DS(ON)帶來的更低的電流損耗，以及更高的功率密度。采用GaN技術制造射頻功率組件，不僅可提供高功率密度和良率，更可以在高電壓和在255℃??下下操作超過100萬小時。

GaN將是下一代游戲規則改變者
數據服務器是當今技術世界不可或缺的一部分。隨著云端運算和機器學習（ML）等新技術和工作負載的廣泛采用，數據服務器的壓力越來越大，而且這種趨勢預計只會持續下去。

相信接下來這一挑戰的解決方案將由GaN來擔任，GaN具有獨特的優勢，提供卓越的性能和效率，并徹底改變數據中心的配電和轉換、節能、減少對冷卻系統的需求，并最終使數據中心更具成本效益和可擴展性。

GaN是下一代半導體。并且隨著GaN在集成電路和晶體管中的性能和潛在能力相當高，全球業者已經投入大量的資源進行開發，毫無疑問，GaN半導體將是技術和電子產業的下一個游戲規則改變者。