作為寬禁帶半導(dǎo)體兩大代表材料，氮化鎵目前在消費電子快充領(lǐng)域如魚得水，碳化硅則在新能源汽車應(yīng)用場景漸入佳境，與此同時，二者都在向更廣闊的應(yīng)用邊界滲透，而AI的強(qiáng)勢崛起，為碳化硅和氮化鎵創(chuàng)造了新的增量市場。
在此背景下，英飛凌CoolSiC? MOSFET 400V系列、納微全新4.5kW服務(wù)器電源方案等創(chuàng)新產(chǎn)品在近期相繼問世，推動碳化硅/氮化鎵在AI服務(wù)器電源（PSU）的應(yīng)用熱度持續(xù)上漲。
碳化硅/氮化鎵：PSU升級突破口
近年來，生成式AI的火熱應(yīng)用和AI芯片算力的爆發(fā)增長，使得全球數(shù)據(jù)中心耗電量激增，為應(yīng)對AI帶來的高能耗危機(jī)，升級數(shù)據(jù)中心PSU成為重要突破口。
目前，全球AI和超大規(guī)模計算數(shù)據(jù)中心的PSU有三種外形規(guī)格，包括通用冗余電源的CRPS185、CRPS265以及開放計算項目的OCP。三種規(guī)格電源高度和寬度尺寸相同，只有長度不同，其中，每個CRPS185電源尺寸都是固定的，長寬高分別為185毫米、73.5毫米、40毫米。因此，在尺寸無法改變的情況下，AI服務(wù)器功率需求的增加就需要從提升功率密度入手。
功率密度的提升可以通過提高開關(guān)頻率來實現(xiàn)，在硅基產(chǎn)品已到達(dá)物理性能極限的情況下，氮化鎵器件的高開關(guān)頻率特性使其更加適合高密度CRPS應(yīng)用。而碳化硅器件與硅基產(chǎn)品相比，可以在更高的溫度和電壓下運(yùn)行，實現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換并減少能量損失。
從實際應(yīng)用情況來看，納微通過將碳化硅功率器件以及氮化鎵功率芯片混合使用設(shè)計出的CRPS服務(wù)器電源參考設(shè)計，顯著地提升了功率密度和效率。今年7月，納微發(fā)布圍繞納微旗下GaNSafe?高功率氮化鎵功率芯片和GeneSiC?第三代快速碳化硅功率器件打造的全新CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源方案，據(jù)稱，該方案以137W/in3的超高功率密度和超97%的效率領(lǐng)跑AI數(shù)據(jù)中心PSU行業(yè)。
碳化硅/氮化鎵功率器件大廠AI服務(wù)器電源爭奪戰(zhàn)
目前，碳化硅/氮化鎵功率器件廠商們關(guān)于AI服務(wù)器電源的爭奪戰(zhàn)已經(jīng)打響，除納微外，英飛凌、安森美、EPC、德州儀器、鎵未來、能華微、氮矽科技等玩家已入局。
英飛凌
其中，英飛凌在今年6月發(fā)布了專為AI服務(wù)器的AC/DC級開發(fā)的全新CoolSiC? MOSFET 400V系列產(chǎn)品，與現(xiàn)有的650V SiC和Si MOSFET相比，新系列傳導(dǎo)和開關(guān)損耗都較低，提升AI服務(wù)器電源功率密度達(dá)到100W/in3以上，并且效率達(dá)到99.5%，較使用650V SiC MOSFET的解決方案提高了0.3個百分點。
針對AI服務(wù)器54V輸出平臺，英飛凌開發(fā)了3.3kW PSU專用DEMO板，采用了英飛凌的CoolGaN?、CoolSiC?、CoolMOS?設(shè)計，可實現(xiàn)整機(jī)基準(zhǔn)效率97.5%，功率密度達(dá)到96W/in3，能夠解決數(shù)據(jù)中心PSU高功率需求。
在PCIM Asia 2024展會上，英飛凌相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，降低數(shù)據(jù)中心能耗是AI產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，也是英飛凌積極努力的方向。英飛凌推出的新一代碳化硅MOSFET溝槽柵技術(shù)，導(dǎo)通損耗更低、開關(guān)效率更高、可靠性更好，在性能方面有顯著提升，能夠滿足AI服務(wù)器電源應(yīng)用需求。
安森美
安森美針對PSU輸出功率、轉(zhuǎn)換效率與功率密度的“三高”挑戰(zhàn)，推出了最新一代T10 PowerTrench?系列和EliteSiC 650V MOSFET的組合，為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供了一種完整解決方案，該方案在更小的封裝尺寸下提供了更高能效和更好的熱性能。
該產(chǎn)品組合中，EliteSiC 650V SiC M3S MOSFET是為應(yīng)對數(shù)據(jù)中心的能效挑戰(zhàn)提供的方案，能夠滿足開放式機(jī)架V3（ORV3） PSU高達(dá)97.5%的峰值效率要求，T10 PowerTrench?系列則通過優(yōu)化的封裝技術(shù)，增強(qiáng)了散熱效果，能夠滿足數(shù)據(jù)中心對于高功率轉(zhuǎn)換效率和小型化的需求。
基于上述相關(guān)產(chǎn)品，安森美現(xiàn)場應(yīng)用工程師Sangjun Koo在PCIM Asia 2024展會期間和集邦化合物半導(dǎo)體的交流過程中表示，安森美正在積極布局AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，也收到了很多來自AI數(shù)據(jù)中心市場的訂單需求。
EPC
在本次PCIM展會上，EPC展示了應(yīng)用氮化鎵的人形機(jī)器人樣品，以及一輛在車載激光雷達(dá)部件中導(dǎo)入了EPC氮化鎵功率器件的無人駕駛小電車。
除人形機(jī)器人、激光雷達(dá)等場景外，AI數(shù)據(jù)中心PSU也是EPC正在重點布局的領(lǐng)域之一。在和集邦化合物半導(dǎo)體的交流中，EPC可靠性事業(yè)部副總裁張聲科表示，EPC的低壓氮化鎵器件能夠覆蓋所有48V轉(zhuǎn)12V的服務(wù)器的電源轉(zhuǎn)換器件需求。
TI
TI早在2021年便與服務(wù)器電源供應(yīng)商臺達(dá)就數(shù)據(jù)中心PSU達(dá)成合作，基于其GaN技術(shù)和C2000? MCU實時控制解決方案，為數(shù)據(jù)中心開發(fā)設(shè)計高效、高功率的企業(yè)用PSU。
TI在GaN技術(shù)以及C2000? MCU實時控制解決方案上有長達(dá)十年的投資，與臺達(dá)合作，TI可采用創(chuàng)新的半導(dǎo)體制造工藝來制造硅基氮化鎵和集成電路，助力臺達(dá)等企業(yè)打造差異化應(yīng)用，更高效地為世界各地的數(shù)據(jù)中心供電。
為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，納微和英飛凌均公布了AI數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)路線圖，表明了未來持續(xù)強(qiáng)化該領(lǐng)域布局的決心。
為應(yīng)對AI數(shù)據(jù)中心電源指數(shù)級的功率需求提升，納微半導(dǎo)體正持續(xù)開發(fā)新的服務(wù)器電源平臺，將電源功率水平從3kW迅速提升到10kW，預(yù)計在2024年第四季度推出。
除了已推出的輸出功率為3kW和3.3kW的PSU外，英飛凌全新8kW和12kW PSU也將在不久的將來推出，以進(jìn)一步提高AI數(shù)據(jù)中心的能效。借助12kW參考板，英飛凌有望推出全球首款達(dá)到這一性能水平的AI數(shù)據(jù)中心PSU。
國內(nèi)廠商方面，鎵未來已與知名院校達(dá)成合作，共同完成業(yè)界首款3.5kWCRPS無風(fēng)扇服務(wù)器電源的開發(fā)并量產(chǎn)，通過兩相交錯圖騰柱PFC及LLC實現(xiàn)97.6%高效率, 功率密度高達(dá)73.6W/Inch3。氮矽科技多款相關(guān)產(chǎn)品已送樣國內(nèi)頭部知名企業(yè)，并完成了相關(guān)的可靠性測試；能華微1200V GaN產(chǎn)品也已經(jīng)送樣知名服務(wù)器電源廠，正在進(jìn)行可靠性評估，各大廠商正在共同推動氮化鎵在AI數(shù)據(jù)中心PSU應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
綜合來看，AI服務(wù)器電源功率密度和效率正在持續(xù)提升，是碳化硅/氮化鎵功率器件廠商重點聚焦的兩大性能指標(biāo)，有望催生出各類實戰(zhàn)表現(xiàn)亮眼的產(chǎn)品，也將吸引更多碳化硅/氮化鎵玩家入局。
總結(jié)
數(shù)據(jù)中心電源領(lǐng)域是近年來碳化硅/氮化鎵頭部廠商重點耕耘的方向之一，目前部分廠商碳化硅/氮化鎵產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心電源市場的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，而AI的強(qiáng)勢崛起推動該市場進(jìn)一步發(fā)展。
隨著AI技術(shù)的不斷演進(jìn)和數(shù)據(jù)算力需求的持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心的能源效率和功率密度要求會越來越嚴(yán)苛，對各大廠商碳化硅/氮化鎵功率器件產(chǎn)品的性能要求也會越來越高。
隨著碳化硅、氮化鎵產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，以及AI生態(tài)的持續(xù)繁榮，碳化硅、氮化鎵和AI的交集也會越來越多，各大廠商關(guān)于AI服務(wù)器電源的爭奪戰(zhàn)將會日趨激烈。（文：集邦化合物半導(dǎo)體Zac）
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