Kryzys energetyczny w centrach danych AI
Rosnące obciążenia obliczeniowe generowane przez sztuczną inteligencję – od uczenia maszynowego po sieci neuronowe – prowadzą do gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na energię i emisji ciepła w centrach danych. Tradycyjne systemy zasilania nie są w stanie zapewnić odpowiedniej sprawności, ponieważ energia elektryczna jest wielokrotnie przetwarzana, co generuje dodatkowe straty. Odpowiedzią na te wyzwania są nowe architektury zasilania oparte na prądzie stałym 800 V DC. Zastosowanie półprzewodników szerokopasmowych – węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN) – pozwala znacząco ograniczyć te straty, tworząc kompaktowe, wysokosprawne układy mocy dostosowane do wymagań nowoczesnej infrastruktury AI.
SiC i GaN – sekret wysokiej sprawności
SiC i GaN należą do grupy półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, co oznacza, że mogą pracować przy wyższych napięciach, temperaturach i częstotliwościach niż klasyczny krzem. SiC doskonale sprawdza się w aplikacjach wysokiej mocy – oferuje świetne zarządzanie termiczne i niskie straty przełączania. GaN zapewnia ultraszybkie przełączanie i wysoką gęstość mocy, idealną do kompaktowych systemów zasilania.
W odróżnieniu od krzemu, który staje się nieefektywny przy wyższych napięciach, SiC i GaN pozwalają budować mniejsze, chłodniejsze i bardziej wydajne układy. W centrach danych stosuje się je w zasilaczach, przetwornicach i układach przełączających, optymalizując przepływ energii od sieci aż po procesory GPU.
Integracja SiC i GaN w architekturach zasilania AI
Współczesne centra danych AI odchodzą od klasycznych systemów 48–54 V na rzecz architektury 800 V DC. SiC jest wykorzystywany w przetwornicach AC/DC na wejściu, często w topologiach trójpoziomowych (three-level flying capacitor), osiągając sprawność powyżej 99%. GaN dominuje w etapach DC/DC, stosując przetwornice rezonansowe i przełączniki dwukierunkowe.
Dzięki tym technologiom możliwe jest zasilanie całych szaf serwerowych bez konieczności wielokrotnej konwersji energii i stosowania masywnych kabli. Częstotliwość pracy GaN pozwala znacząco zmniejszyć rozmiary transformatorów i elementów pasywnych, zwiększając gęstość mocy nawet do 113 W/cal³.
Redukcja strat mocy – przewaga SiC i GaN
W tradycyjnych systemach krzemowych sprawność wynosi 90–94%, co oznacza, że 6–10% energii zamienia się w ciepło. Układy oparte na SiC i GaN osiągają ponad 98% sprawności, redukując straty nawet o połowę. Przykładowo, jeśli klasyczna przetwornica krzemowa traci 8% energii, jej odpowiednik z GaN – jedynie 2%, co daje redukcję strat o 75%.
Dzięki temu możliwe jest:
- zwiększenie częstotliwości przełączania bez spadku wydajności,
- niższy opór w stanie włączenia (R<sub>DS(on)</sub>),
- większa odporność termiczna i stabilność pod dużym obciążeniem.
Dlaczego warto porzucić krzem?
Krzem, choć przez dekady dominował w elektronice mocy, traci przewagę w środowisku o ekstremalnych wymaganiach, jakie stawia AI. Wymaga większego chłodzenia, ma niższą sprawność i ograniczoną zdolność pracy przy wysokich napięciach. GaN osiąga sprawności rzędu 98,5% w etapach rezonansowych, a SiC przekracza 99% w sekcjach AC/DC – wartości nieosiągalne dla krzemu.
Zastosowania praktyczne: od sieci do GPU
SiC i GaN już dziś znajdują zastosowanie w przetwornicach 12 kW w centrach danych. SiC odpowiada za konwersję AC/DC, a GaN – za etapy DC/DC z wykorzystaniem transformatorów planarnych. W architekturach 800 V układy GaN o napięciu 650 V umożliwiają przełączanie dwukierunkowe, zwiększając elastyczność i moc wyjściową. Technologie te wspierają także systemy magazynowania energii, inwertery i rozwiązania dla tzw. edge AI, a ich kompaktowość pozwala stosować je w modułowych centrach danych oraz w połączeniu z odnawialnymi źródłami energii.
SiC i GaN – fundament zrównoważonej przyszłości centrów danych
Ograniczenie strat mocy to nie tylko korzyść techniczna, lecz także ekologiczna. Wysoka sprawność układów SiC i GaN pozwala zmniejszyć emisję CO₂, poprawia skalowalność systemów i ułatwia osiągnięcie celów zrównoważonego rozwoju. Nowe obudowy, takie jak TOLL czy TO-247, poprawiają odprowadzanie ciepła i umożliwiają łączenie elementów o wysokim prądzie równolegle, co zwiększa niezawodność.
Podsumowanie: zielona rewolucja w zasilaniu AI
Półprzewodniki SiC i GaN rewolucjonizują centra danych AI, ograniczając straty energii nawet o 50% dzięki wyższej sprawności i innowacyjnym architekturom. Od 800-woltowych systemów po zasilacze o wysokiej gęstości mocy – to kluczowe technologie, które pozwolą sprostać rosnącym wymaganiom energetycznym ery sztucznej inteligencji.
Źródło: electronicsmedia
