GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов с интегрированными интерфейсами затвора обеспечивают высокоэффективное преобразование мощности с высокой плотностью в центрах обработки данных для искусственного интеллекта напряжением 800 В.
Расширение использования искусственного интеллекта привело к тому, что спрос на электроэнергию в центрах обработки данных, ориентированных на искусственный интеллект, вырос на 50% в 2025 году в мире, где общий мировой спрос на электроэнергию увеличился всего на 3%. Этот быстрый рост продолжится, и ожидается, что к 2030 году энергопотребление в таких центрах обработки данных достигнет 950 ТВтч.
Такое увеличение мощности обусловлено не только увеличением числа центров обработки данных, но и быстрым повышением их удельной мощности. Новейшие графические процессоры (GPU), используемые для искусственного интеллекта, потребляют более 1 кВт, что значительно больше, чем 500 Вт предыдущего поколения. Повышенные требования к энергопотреблению компонентов в сочетании с необходимостью увеличения количества графических процессоров на стойку приводят к увеличению энергопотребления стойки до 1 МВт.
Удельная мощность этих стоек становится очевидной, если учесть, что, хотя они размером с большой холодильник, к 2027 году ожидается, что одна стойка будет потреблять столько же энергии, сколько 65 домашних хозяйств.
Такой спрос на электроэнергию привел к изменениям в сети распределения электроэнергии и требуемых источниках питания. Вместо использования переменного тока для распределения питания по центру обработки данных с помощью шины питания 48 В, компания Nvidia теперь предлагает распределять питание ИИ-серверов постоянным током по центру обработки данных с напряжением 800 В. Это требует новых конструкций источников питания, которые были бы меньше по размеру и эффективнее для снижения потерь.
Эти тенденции оказывают огромное влияние на распределение и конверсию электроэнергии в центре обработки данных. При распределении гигаватт электроэнергии сокращение потерь и повышение эффективности источников питания имеет решающее значение. Повышение КПД на пару процентных пунктов, с 97% до 99%, позволяет значительно экономить электроэнергию, обеспечивая экономию эксплуатационных расходов и экологические преимущества.
Более высокая эффективность также означает, что требуется меньшее количество охлаждения, что позволяет экономить воду или диэлектрик, что позволяет использовать системы питания меньшего размера. Новая технология упаковки также способствует упрощению конструкции системы охлаждения, позволяя уменьшить объем блока питания и поместить в стойку больше графических процессоров.
Технология нитрида галлия (GaN) обеспечивает более высокую эффективность при меньших габаритных размерах благодаря своей способности переключаться на более высоких частотах, чем другие полупроводниковые технологии.
Но внедрение этой технологии не так просто, как замена кремниевых устройств в источниках питания. Для GaN требуется более сложный вентильный привод, напряжение которого варьируется от -3 В до +6 В. Это означает, что требуются другие драйверы устройств с более сложными требованиями к синхронизации.
Технология ICeGaN
Добавление интегрированного драйвера затвора к GaN-транзистору напряжением 650 В с низким входным сопротивлением (RDS(ON)) может значительно упростить использование устройства в конструкции источника питания для серверов искусственного интеллекта. Это позволяет использовать для управления GaN стандартную микросхему MOS-драйвера с типичным смещением от 12 В до 15 В.
Технология ICeGaN, разработанная компанией Cambridge GaN Devices (CGD), представляет собой силовую микросхему, которая реализует такой интерфейс на той же подложке, что и транзистор с высокой подвижностью электронов в режиме усиления, вместо использования отдельного кремниевого МОП-транзистора в каскодной конфигурации или совместной кремниевой микросхемы. Реализация интерфейса на одном чипе позволяет создать оптимизированный низкопрофильный корпус с низкой индуктивностью, что является ключом к снижению потерь и повышению эффективности преобразователя мощности.
Устройства, изготовленные по технологии ICeGaN, включают в себя транзистор с высокой подвижностью электронов с вспомогательным затвором, который блокирует вход внешнего затвора и обеспечивает стабильное смещение внутреннего затвора для основного транзистора с высокой подвижностью электронов в электронном режиме. Это означает, что устройства, изготовленные по технологии ICeGaN, работают со смещением затвора примерно от 9 В до 20 В и могут безопасно выдерживать более высокие переходные напряжения. Это также эффективно удваивает кажущееся пороговое напряжение примерно до 3-4 В, повышая помехоустойчивость затвора.
В подобные устройства ICeGaN также встроен ограничитель Миллера, который обеспечивает сильное нажатие, когда транзистор с высокой подвижностью электронов не включен, а это означает, что разработчикам не нужно обеспечивать отрицательное напряжение на затворе, чтобы устройство оставалось выключенным, когда оно должно быть выключено. Ограничитель Миллера также обеспечивает более широкую безопасную рабочую зону и повышает надежность затвора за счет поглощения больших скоростей изменения напряжения dV/dt. Это обеспечивает быструю работу без необходимости в дополнительных шинах с отрицательным напряжением и может регулироваться значением входного резистора, что означает, что разработчики могут регулировать скорость включения ICeGaN в соответствии с потребностями конкретного устройства и балансом между электромагнитными помехами и потерями при переключении.
Динамическое энергопотребление графического процессора для рабочих нагрузок искусственного интеллекта приводит к большим и быстрым колебаниям нагрузки, которые не могут быть отражены на сети переменного тока. Чтобы предотвратить это, каждый этап цепочки преобразования переменного тока в постоянный должен выдерживать временные нагрузки и включать достаточное количество локальных накопителей энергии для сглаживания таких колебаний мощности.
Это означает, что компоненты и тепловая схема должны быть рассчитаны на максимальную, а не на среднюю нагрузку, чтобы преобразователь постоянного тока напряжением 800 В мог выдерживать кратковременные скачки напряжения без перенапряжения или потери регулирования.
Напряжение внутреннего затвора транзистора с высокой подвижностью электронов начинает увеличиваться только после того, как напряжение внешнего затвора превысит приблизительно 1,5 В. Именно этот дополнительный порог позволяет устройстве на базе технологии ICeGaN иметь более высокое пороговое напряжение, чем у обычного дискретного GaN в электронном режиме, равное 2,9 В.
Одним из главных преимуществ GaN-устройств является эффективность переключения при очень низком заряде затвора и отсутствии основного диода, что практически исключает потери при отключении. Поскольку ограничитель Миллера отключает устройство при 0 В, устройства ICeGaN не подвержены высоким потерям обратной проводимости, в отличие от других компонентов GaN.
Самое главное, что охлаждение устройства можно значительно улучшить, подключив его к земле, что позволяет использовать компоненты меньшего размера и запускать систему при более низких температурах.
Упаковка
Снижение термостойкости корпуса имеет ряд преимуществ. При том же режиме RDS(ON) достигается большая выходная мощность, в то время как устройства работают при более низких температурах и той же мощности, поэтому можно использовать радиатор меньшего размера и веса, что приводит к снижению стоимости системы. Более низкие рабочие температуры также повышают надежность, увеличивают срок службы и уменьшают объем источников питания в стойке искусственного интеллекта.
Корпус BHDFN-9-1 (нижний распределитель тепла DFN), разработанный компанией CGD, представляет собой охлаждаемый снизу корпус со смачиваемыми боковыми сторонами для удобства осмотра. Для отвода тепла в нем используется более толстая свинцовая рама, обеспечивающая тепловое сопротивление 0,28 К/Вт, что соответствует или превосходит другие устройства. BHDFN размером 10×10 мм меньше, чем обычно используемые упаковки плат, но имеет схожие габариты, что делает его простым в использовании.
В отличие от дискретных GaN-устройств, ICeGaN устройства имеют дополнительный вывод для питания своей внутренней схемы в качестве вывода 1, вывод затвора – в качестве вывода 2, а вывод источника Кельвина – в качестве вывода 3. В упаковке плат контакт затвора находится на выводе 1, а контакт источника Кельвина – на выводе 2. Это означает, что для обеспечения совместимости можно легко разработать общую схему, в которой бортовое устройство сдвинуто в сторону, чтобы избежать подключения к выводу питания на схеме ICeGaN. Это дает возможность ICeGaN практически мгновенно заменить бортовое устройство.
Проектирование систем преобразования напряжения 800 В с использованием GaN-устройств
Широко используемой топологией для питания центров обработки данных является многомостовой резонансный преобразователь с последовательным вводом и параллельным выводом. Это позволяет преобразовывать напряжение на входах 800 В постоянного тока с помощью GaN-устройств напряжением 650 В. Плоские трансформаторы и усовершенствованная магнитная интеграция являются ключом к созданию низкопрофильных и компактных каскадов питания, которые необходимы, когда модули преобразования мощности должны располагаться близко к платам GPU и CPU CPU-процессорам.
В распределительных сетях напряжением 800 В уже используются частоты переключения в диапазоне 500-800 кГц, что является эталонным решением для серверных устройств искусственного интеллекта. По мере более широкого внедрения технологии GaN наблюдается тенденция к увеличению частоты до 1 МГц и выше для дальнейшего увеличения плотности мощности и уменьшения магнитных полей, при условии, что эффективность и электромагнитные помехи могут поддерживаться на этих более высоких частотах.
Безопасность
Безопасность является главной заботой для систем с напряжением 800 В постоянного тока, что требует дополнительных конструктивных решений.
При напряжении 800 В постоянного тока требуется усиленная изоляция, обеспечивающая больший зазор и расстояние утечки, чем для систем с более низковольтными шинами. В системах с напряжением ±400 В постоянного тока используется высокоомное или сплошное заземление в средней точке защитного заземления, и они требуют меньшего уровня утечки, чем системы с напряжением 800 В с односторонним подключением.
Функции замены в «горячем» режиме и «автоматического отключения», как правило, встроены в каскад 800 В постоянного тока на распределительном щите, что позволяет контролировать пуск, перегрузку и изоляцию неисправностей как можно ближе к источнику питания на уровне стойки.
Преобразователи постоянного тока напряжением 800 В также часто реализуются в виде каскадов с разомкнутым контуром, с контроллером на вторичной стороне и ограниченной чувствительностью на первичной стороне. Это означает, что для безопасного устранения неисправностей на входе требуется дополнительная защита на первичной стороне, такая как обнаружение перенапряжений и аномальных состояний.
В случае сбоя конструкция устройства постоянного тока напряжением 800 В должна обеспечивать строгое ограничение энергии сбоя, чтобы дым, огонь или ожоги не распространялись на платы графического процессора или другие компоненты лотка, сохраняя как время безотказной работы системы, так и целостность оборудования.
Реальный пример
Был сконструирован прототип полумостового модуля мощностью 3 кВт от 400 В до 50 В с использованием устройств CGD P2 с сопротивлением 25 Мом на первичной обмотке плоского трансформатора, чтобы продемонстрировать высокую плотность мощности и эффективность, достижимые при использовании транзисторов по технологии. Максимальный КПД модуля составляет 98,7%, а при полной нагрузке – 97,5%.
Модульная архитектура обеспечивает простое параллельное масштабирование до более высоких уровней мощности, таких как 6 кВт или 12 кВт, для использования в мощных источниках постоянного тока. В этом случае можно использовать переключение фаз между чередующимися модулями для оптимизации общей эффективности системы в широком диапазоне нагрузок.
Добавление интеллектуального интерфейса к сетям GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов
Разработчики источников питания все чаще стремятся использовать технологию GaN в устройствах для центров обработки данных. Однако при проектировании с использованием обычных GaN-устройств добиться оптимальной производительности может быть непросто. Например, требуемое отрицательное напряжение на затворе создает трудности при достижении более высокой частоты работы, что позволяет использовать преобразователи мощности меньшего размера.
Однако добавление интеллектуального интерфейса на том же чипе, что и устройство питания на базе GaN, дает ряд преимуществ разработчикам источников питания для центров обработки данных для искусственного интеллекта, поскольку это значительно снижает стоимость, размер и вес источников питания в сетях питания центров обработки данных напряжением 800 В.
