AI算力需求，加速氮化镓落地数据中心

AI计算性能飞速提升，正倒逼数据中心电源架构进行根本性重构，氮化镓（GaN）成为满足行业持续上涨的效率与功率密度需求的关键技术。

EPC公司CEO Alex Lidow，以及EPC DC/DC市场与系统工程副总裁Jason Zhang阐述了随着GPU功耗持续攀升，传统硅基功率器件正在逼近实际性能极限的原因。Jason Zhang表示，历经三代GPU产品迭代，AI加速器的功耗已经翻了四倍。未来两年内，单颗GPU的功耗预计将达到5千瓦，而内核工作电压却低于1伏，需要接近10000安培的电流。“当一座数据中心内部部署数百甚至上千颗GPU时，整个数据中心的供电规模将达到吉瓦级别。”

要满足这样的供电需求，需要多级电能变换：从480伏三相交流电转为800伏直流母线，再经过12伏、6伏等中间电压层级，最终降到GPU内核电压。每一级变换电路都需要输出超大电流，同时尽可能降低损耗，并且占用最小的电路板面积。

AI架构推动电源设计变革

向AI基础设施转型，同样改变了超大规模服务器内部的配电方式。Lidow介绍，过去把交流电直接送入服务器机柜的传统架构正在被淘汰。新方案采用集中式侧挂电源系统，向每个机柜输出800伏直流母线。电能变换直接在服务器主板上完成，省去体积庞大的电源模块，同时降低配电损耗。“现在机柜接入的是800伏直流电，而不是交流电，最终还要把电压降到GPU需要的0.7伏、0.6伏甚至0.5伏。”

虽然更高的配电电压能够降低流入服务器的电流，但后端变换电路依旧要为现代AI处理器输出数千安培的大电流。这对电源转换器提出极高要求，必须同时兼顾高效率与高电流密度。

Lidow把服务器主板空间称作 “全世界最昂贵的土地”，因此功率密度和效率同等重要。更高的开关频率可以缩小磁性元器件体积，让更多电源转换电路能够塞进AI处理器周边有限的空间内。

硅基器件逼近性能天花板

两位专家均认为，对于下一代AI系统而言，硅MOSFET器件的性能已经基本摸到上限。

Zhang指出，多年来硅基器件性能虽持续优化，但导通电阻已经接近理论极限。想要再获得小幅提升变得越来越困难，可AI设备功耗还在快速增长。“每一代产品性能大约只能提升20%，这个幅度远远不够，跟不上功耗需求暴涨的节奏。”

与之对比，氮化镓器件的性能还在高速迭代。EPC第七代氮化镓平台，无论是高压器件，还是全新的18‑40伏低压产品系列，都实现更低导通电阻与更低栅极电荷，专门适配AI服务器内部多级电能变换场景。

更低的栅极电荷支持更高开关频率，缩小无源器件体积，整体提升功率密度。Zhang补充，EPC第七代器件在同步降压转换器中可以实现约3兆赫兹的高效开关，大约是同规格硅基方案开关频率的3倍。公司产品路线图目标是把开关频率提升至接近10兆赫兹，面向未来需要10000安培电流的AI处理器，实现约5安 / 平方毫米的电流密度。

氮化镓全面渗透服务器电源链路

Lidow预判，未来AI服务器内部几乎每一级电源变换环节，都会用上氮化镓器件。

目前氮化镓已经在48伏输入电路大规模应用。随着AI架构转向800伏配电、中间电压进一步降低，氮化镓开始进入更多变换环节：包括800伏输入转换器、中间母线转换器、负载点稳压器。“服务器主板到处都在用氮化镓，硅器件已经满足不了这些需求。”

他解释，电压越低，变换电路需要的半导体芯片面积就越大，因为电压下降会带来电流上升。因此越靠近GPU的电源变换环节，氮化镓的普及速度就越快。“现在氮化镓的应用浪潮，正在席卷整块服务器主板。”

扩大制造规模、保障器件可靠性

业界对于氮化镓大规模落地的一大顾虑，是产能供给。但Zhang认为产能已经不再是制约因素。和碳化硅（SiC）不一样，氮化镓器件在硅衬底上制造，可以大量沿用成熟硅产线设备，只额外增加外延生长工艺。EPC同时联合多家生态合作伙伴，共同完成晶圆制造、测试、封装与供应链保障。“氮化镓的一大优势就是不存在产能瓶颈。”

经过近二十年发展，氮化镓器件可靠性也得到大幅提升。EPC并不只采用传统硅器件的可靠性测试标准，而是结合器件真实应用场景开展验证，找出器件固有失效机理，再优化器件设计与制造工艺，从根源消除失效问题。

“影响现场实际可靠性的主要变量，来自产品使用方式与客户端系统设计。”Zhang提到，热界面、PCB焊接、散热器安装带来的影响，甚至已经超过器件本身固有可靠性的权重。

Lidow补充，EPC氮化镓器件已经在AI数据中心板卡上累计八年规模化部署，“可靠性表现十分出色”。

除改善GPU供电之外，两位高管都认为，氮化镓还可以帮助数据中心整体降低运营成本。Zhang表示，超大规模数据中心运营商现在不只关注处理器性能，还会评估整个机房的综合能效。即便是电源转换效率小幅提升，对于吉瓦级规模的AI机房，也可以显著减少耗电量、散热负荷与水资源消耗。“从交流电到芯片内核，氮化镓可以轻松把整体效率提升5%。”Zhang说，“对于运营成本来说，5% 已经是非常可观的数字。”

随着AI基础设施持续扩张，环保因素的权重也会越来越高，尤其在很多地区，电力消耗、用水以及社会影响都开始受到监管严格约束。

未来发展方向

展望未来，Lidow认为AI电源架构会持续演进：配电电压进一步抬高，中间母线电压继续降低。800伏配电正在成为行业基准；下一代GPU未来可能需要1200伏、1500伏甚至2000伏的主母线，依靠多电平变换器拓扑实现。中间母线电压预计会从12伏向6伏过渡，之后再由氮化镓直接降压到1伏以下，供给GPU内核。

在EPC内部，研发重心正在从分立晶体管，转向集成度更高的氮化镓功率IC。“分立氮化镓器件的潜力我们基本已经挖掘到极限。”Lidow说，“接下来，我们所有研发重点都会放在功率集成电路上。”

开关频率不断提高，集成化将成为必然趋势。集成方案可以实现分布式栅极驱动、单片功率级以及更多分立器件难以达成的功能。

Lidow总结，随着算力需求不断上涨，氮化镓在AI服务器当中的地位还会继续提升。“毫无疑问，在服务器领域，氮化镓将主宰服务器主板电源。我相信主板上每一个电源接口，最终都会用上氮化镓方案。”