【導讀】AI算力正以每3.4個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，預計到2030年將占全球耗電量的7%，電力已成為制約AI產業(yè)發(fā)展的核心瓶頸。單機柜功率從傳統(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，成為算力擴張路上繞不開的難題。
行業(yè)迫切需要一場供電架構革命，去年5月，英偉達率先給出了答案——自2027年起推動機架電源從54V直流全面轉向800V高壓直流架構，以支撐單機架功率超1MW的下一代超大規(guī)模AI算力部署。
800V架構的核心價值，是通過提升母線電壓大幅降低傳輸損耗，同時將PSU集中部署釋放機架空間給計算設備，讓每一寸空間都服務于算力。
但這一變革對功率器件提出了高壓、高頻、高密度的嚴苛要求，傳統(tǒng)Si器件在高頻場景下?lián)p耗高、體積大，SiC雖能應對高壓，卻在開關速度與反向恢復特性上存在短板，而GaN 憑借材料物理優(yōu)勢，恰好破解了Si與SiC都難以解決的核心痛點。
GaN擁有極高的電子遷移率，可實現(xiàn)極快開關速度，且具備零反向恢復電荷，能在極小空間內實現(xiàn)超高效率轉換，完美適配800V架構下高密度、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)中心架構中，中間總線轉換器成為了GaN的甜蜜點。
為了厘清GaN在數(shù)據(jù)中心的真實應用場景與不可替代的核心價值，與非網主分析師夏珍，特邀英飛凌科技高級副總裁、氮化鎵業(yè)務負責人Johannes Schoiswohl博士展開深度對話。本文將以工程師視角，層層拆解、系統(tǒng)剖析。
圖 | 英飛凌科技高級副總裁、氮化鎵業(yè)務負責人Johannes Schoiswohl博士
01
GaN的認可，始于PSU
GaN具體部署在哪些環(huán)節(jié)？讓我們沿著從電網到GPU的供電鏈路，逐一來看。
傳統(tǒng)上，GaN在電源單元（PSU）中的表現(xiàn)已備受認可。在當前主流架構中，PSU完成交流到直流的轉換，輸出48V母線電壓，再經過中壓中間母線轉換器（IBC）降至12V，最后由負載點轉換器（PoL）為GPU、CPU、內存等芯片就近供電。
這套鏈路里，PSU被安置在機架內部，是整個供電系統(tǒng)的第一道轉換關口，既要穩(wěn)定輸出48V母線電壓，又要在機架有限空間內控制損耗與發(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，率先在PSU場景中站穩(wěn)腳跟，成為行業(yè)公認的高效電源升級方案。也讓數(shù)據(jù)中心領域第一次大規(guī)模驗證了GaN在大功率供電場景下的可靠性與性價比。
到了800V HVDC架構，情況發(fā)生了根本性變化。目前主要有兩條技術路徑預設：方案A將PSU移至機架側掛的外掛式集中供電單元（Power Sidecar）中，輸出800V直流，再經由高壓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交流電一步轉換為800V直流，再由高壓IBC一步轉換至12V甚至更低。
在這套系統(tǒng)中，PSU與SST的定位已經和傳統(tǒng)架構完全不同，GaN的角色也隨之重新定義。
在方案A的Power Sidecar集中式PSU里，因為部署在機架外部、空間與散熱條件相對寬松，且以三相大功率、高效率為核心目標，這里并不是GaN的主場，更多是SiC與高端Si器件發(fā)揮優(yōu)勢的場景。
而SST需要以高頻化、模塊化的方式實現(xiàn)高壓交流電到800V直流電的直接轉換，對器件的高頻特性、開關損耗、功率密度提出了遠高于傳統(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，隨著架構向更高頻率、更高集成度演進，GaN 則會在 SST 之后高壓轉中壓的 IBC等關鍵環(huán)節(jié)成為剛需，這一點我們會在后續(xù)內容中進一步展開討論。
再往前看一步，單級AC-DC架構正在成為一種趨勢。 這種架構依賴一種稱為“循環(huán)轉換器拓撲”的新型電路，其核心器件是高壓GaN雙向開關。
英飛凌已經量產這類產品，將兩個背對背開關單片集成在一顆器件里，這是只有GaN工藝才能實現(xiàn)的一體化設計。改用單級轉換后，系統(tǒng)從傳統(tǒng)PFC+DC-DC雙級架構精簡為一級轉換，體積更小、效率更高、元器件數(shù)量更少，可靠性也隨之提升。
不過要明確的是，英飛凌這款高壓GaN雙向開關目前的主力落地場景并非僅針對AI數(shù)據(jù)中心，而是將率先在光伏微型逆變器、儲能系統(tǒng)、車載充電器OBC等領域實現(xiàn)商用，也是這些場景在推動單級架構快速成熟。而在AI數(shù)據(jù)中心側，單級AC-DC仍處于前瞻拓撲探索階段，但對于功率等級超過10kW的AI和企業(yè)級服務器來說，這扇門已經打開。
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，還是集中在服務器板上高壓IBC、中壓IBC、電池備份單元（BBU）這些對高頻、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、最主流的價值所在。” Johannes坦誠道。
這意味著，如今GaN在數(shù)據(jù)中心的應用已不再局限于PSU。
在傳統(tǒng)架構中，BBU扮演著關鍵角色。當交流電網出現(xiàn)故障、發(fā)電機尚未啟動的那幾分鐘里，BBU需要為整機架GPU提供不間斷供電，保障算力不中斷、業(yè)務不掉線。
如今GPU功耗不斷攀升，BBU需要支撐的功率也隨之激增，可機架內留給它的安裝空間卻始終固定，沒有任何擴容余地。想要在不變的體積內容納更大備電能力，唯一途徑就是放入更多的電池電芯——這意味著留給DC-DC轉換級的空間更少了。
對此，Johannes表示：“想要在更有限的空間里實現(xiàn)更高功率轉換，就必須提升開關頻率，以此縮小電容、電感等被動元件的體積，同時又不能帶來額外的溫升與損耗。面對這種既要提升功率、又要壓縮尺寸、還要嚴控發(fā)熱的多重約束，GaN恰好成為最貼合需求的理想選擇。”
“尤其BBU普遍采用升降壓轉換器架構，GaN憑借高頻低損耗、零反向恢復電荷的特性，能在提升頻率的同時控制發(fā)熱，讓更小體積的轉換電路實現(xiàn)更高效率。英飛凌也針對這一場景推出了局部功率電池備份單元拓撲，可進一步釋放BBU的功率密度潛力。”
對于中壓IBC環(huán)節(jié)，挑戰(zhàn)是類似的，而GaN的使用能將轉換效率推至當前技術的最優(yōu)水平。
Johannes舉例道：“以一個5kW機架為例，所有供電都必須經過IBC，借助英飛凌采用的交錯式轉換器拓撲，相比傳統(tǒng)Si器件，GaN可將該環(huán)節(jié)的轉換效率提升1%，對應轉換損耗直接降低30%。”
Johannes特別提到，中壓GaN的市場價值目前是被低估的，在100V和80V這兩個電壓等級中，沒有Si器件能與之匹敵。在同樣的5mmx6mm行業(yè)標準封裝下，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，而且沒有反向恢復電荷。英飛凌還在同一封裝內集成了整流二極管，正向壓降非常小。
“在每個使用100V器件的應用中，使用GaN都會得到更好的系統(tǒng)解決方案。”Johannes說。不過，隨著中國市場在機器人、無人機等領域的快速推進，中壓GaN的采用有望加速，市場上后續(xù)也會推出60V和40V的細分產品。
到了800V架構，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GaN的耐壓要求隨之提升。傳統(tǒng)單向方案已無法滿足系統(tǒng)對雙向能量流動、高密度與高可靠性的要求，高壓雙向開關（BDS） 就此成為關鍵支撐。
面向這一場景，英飛凌 CoolGaN? BDS 提供了可工程化的實現(xiàn)路徑。這款高壓 GaN 雙向開關采用共漏極設計與雙柵極結構，基于成熟可靠的柵極注入晶體管（GIT）技術，能夠在同一漂移區(qū)內實現(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、導通與開關損耗、寄生電感上都具備明顯優(yōu)勢，更適合800V高壓、高功率密度、有限空間下的BBU設計。
Johannes強調，CoolGaN? BDS的落地不是一個小進步，而是一項關鍵創(chuàng)新——“它的重要性和新穎性堪比當年的CoolMOS?。”在配合高壓PPC拓撲的情況下，還可以進一步優(yōu)化BBU的功率密度。
而對于高壓IBC這一新興應用，Johannes透露，基于英飛凌新一代GaN的電源方案可實現(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，我們不得不面對一個現(xiàn)實問題：工程師將GaN器件集成到原本為Si設計的系統(tǒng)中時，會遇到哪些挑戰(zhàn)？
Johannes認為，最大的挑戰(zhàn)不是GaN器件本身有多難用，而是設計需要時間，而工程師通常沒有那么多時間。
Johannes指出，系統(tǒng)工程師在應用GaN器件時，必須首先解決幾個基礎性問題——PCB布局必須極為潔凈，寄生電感應盡可能消除，尤其是柵極回路中的寄生參數(shù)。簡單地將系統(tǒng)中的Si器件直接替換為GaN器件，僅調整柵極驅動電壓，這種做法通常難以奏效。原因在于系統(tǒng)中寄生參數(shù)過多，導致開關頻率無法提升到足夠高的水平，從而無法發(fā)揮拓撲結構的潛在優(yōu)勢。
與Si和SiC器件相比，GaN器件的閾值電壓更低、開關速度更快，因此對噪聲耦合更為敏感。所以，只有從系統(tǒng)設計的初始階段就針對GaN器件進行架構優(yōu)化，才能真正釋放其性能潛力。
此外，在熱管理方面，使用GaN器件后情況也會發(fā)生變化。
Johannes指出，在傳統(tǒng)功率系統(tǒng)中，半導體（Si MOS）通常是板子上最熱的點，散熱全都圍著它做。但采用GaN方案之后，即便在更高的開關頻率下，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系統(tǒng)中。
這意味著過去集中冷卻半導體器件的策略需要調整，轉而面向整個系統(tǒng)進行均勻散熱。有客戶在實際應用中反饋，使用GaN方案后，最熱的器件變成了磁性元件。
這也引出了對磁性元件的重新思考。當開關頻率提升到700kHz、800kHz甚至MHz以上時，工程師必須尋找合適的磁性元件，并與供應商確認它們能否承受如此高的開關頻率。掃碼回復“AI”進專屬社群
04
規(guī)模化，
是GaN的下一個關口
GaN很好，但為什么GaN規(guī)?；占暗倪M度沒有想象中快？
除了以上提到的系統(tǒng)應用挑戰(zhàn)外，最大的攔路虎還是價格問題。長期以來，GaN受限于材料成本偏高、制造工藝更復雜，疊加硅基器件長期形成的規(guī)模效應，價格一直顯著高于傳統(tǒng)Si器件。盡管GaN在系統(tǒng)端已經充分驗證了效率、體積與總擁有成本優(yōu)勢，但想要進一步打開更廣闊的市場，持續(xù)的成本下探仍是關鍵驅動力。
圖 | 英飛凌300mm GaN
技術Johannes 表示，英飛凌正通過規(guī)模化制造破解成本難題，其中最核心的舉措，就是推進全球首款300mm GaN功率晶圓的量產。相比傳統(tǒng)規(guī)格，單片晶圓的芯片產出量可提升至原來的2.3倍，直接推動GaN成本向硅基器件快速靠近。他還透露，英飛凌計劃在明年年底啟動300mm 100V GaN器件的量產，目前首批樣品已完成流片，正交由合作伙伴與客戶進行驗證測試。
05
寫在最后
回到最初的問題：當AI數(shù)據(jù)中心邁入800V供電架構時代，為什么必須用GaN？
答案已經清晰。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，而工程師們真正想要的是在計算板上進行計算，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——實現(xiàn)這一目標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。
