GaN：解决数据中心可持续性和盈利能力的双重挑战

今天，经济生活与数据紧密相连，我们的消费者、企业和工业设备都在数据中工作，每天生成消费信息

作者：Paul Wiener，战略营销副总裁，GaN Systems

 在过去五年中，互联网流量增加了近20亿新用户，对整个互联网和云基础设施提出了挑战性的新需求。

与此同时，云运营商在可持续性、可扩展性和盈利能力方面大幅增加了技术投资。这些趋势的中心是数据中心——世界互联网基础设施的耗电基础。

数十亿智能消费设备、机器人工厂、工业物联网以及自动驾驶汽车的兴起，为数字基础设施和数据中心带来了巨大增长。因此，数据中心现在是我们经济的基石，能够移动、存储和分析位于我们个人和商业生活核心的信息。

根据CloudScene数据，截至1月，在110个有可用信息的国家中，2021年全球有近8000个数据中心。在这些国家中，有六个国家拥有大多数数据中心：美国（占总数的33%）、英国（5.7%）、德国（5.5%）、中国（5.2%）、加拿大（3.3%）和荷兰（3.4%）。

不幸的是，传统的硅技术已无法跟上数据中心的步伐。然而，通过将下一代氮化镓（GaN）技术引入数据中心，我们可以创造一个数据中心更可持续、更高性能和更有利可图的未来。

图1：GaN为数据中心、工业、汽车、消费电子和Hi-Rel的产品提供动力

需要改变

如今，数据中心运行的计算密集型工作负载比以往任何时候都要多，因此需要更快的速度和更大的功率。数据中心现在约占全球年能耗的2%。如果不进行干预，这一数字只会增加，对业务和可持续性目标的影响将进一步受到影响。

纵观当今的数据中心，你会发现大多数电力系统仍然基于传统的硅技术。尽管硅在数据中心的整个历史中一直被使用，但该技术在性能和效率方面已经达到了极限。由于低效的硅功率分配和转换，研究表明数据中心大约20%的功率目前被浪费为热量。同时，数据中心消耗的所有电力中，几乎40%仅用于保持服务器机架冷却。

这种模式不可扩展、不可持续或不盈利。如今，行业领导者正在用基于氮化镓的解决方案取代传统的硅功率电子产品，这种解决方案更高效、更可持续，并提供更高的性能。

GaN在电力电子中的可持续性

GaN在数据中心的一个基本价值主张是可持续性，其中GaN在解决数据中心电力电子设备的能源效率低下方面发挥着重要作用。

能源效率是AWS、谷歌和Facebook等数据中心运营商的首要任务，这是由政府法规和公众日益增加的碳排放需求推动的。政府和行业都在采取措施提高能源效率。

为数百万消费者使用的应用提供服务的数据中心越来越需要能源和水。这些中心在未来几年只需要更多。根据欧盟委员会的数据，仅在欧盟，到2030年，数据中心预计将占电力需求的3.2%，比2018年增长18.5%。与此同时，欧洲、北美和其他全球地区面临着减少能源需求的压力。

在数据中心，一些最大的功耗和浪费源是高功率组件，如电源、交换机和服务器，传统上基于硅。因此，它们是通过GaN技术进行改进的主要候选者。

传统的硅基电源在大约70%的效率范围内工作。然而，使用GaN，器件效率和开关速度的提高使电源的效率达到90%。这种效率以前是不可想象的，但氮化镓已使其成为现实，并带来了巨大的可持续性影响。

更进一步，GaN的效率有助于显著降低冷却高功率服务器机架所需的能耗。在传统的硅系统中，冷却占总功耗的30%-55%。随着GaN比硅的效率提高，数据中心可以减少热量产生，从而减少对耗电冷却系统的需求。

这里的环境影响不容低估，因为领先的研究表明，在数据中心每十个机架中，氮化镓可以帮助每年减少100公吨的二氧化碳排放。当设计一个更绿色的星球时，这是朝着正确方向迈出的一大步。

GaN提高了数据中心的性能和利润

除了GaN的可持续影响之外，该技术的另一个重要好处是它可以为数据中心提供巨大的盈利能力。

查看数据中心中的电源设备（PSU）时，热因素通常会限制设备的整体尺寸。所有其他条件都一样，随着电源的物理尺寸变小，它们的功率密度会增加。这会在较小的区域内产生更大的热量，从而导致不期望的可靠性和性能问题。

图2：世界上第一个100W/in3数据中心电源

行业中的关键电源指标从每瓦美元转变为每密度美元，密度是衡量电源大小和功率的指标。

该指标对整个服务器设计非常重要。一半大小的电源为服务器提供了更多的DIMM存储空间，预计这里的需求将激增。每密度的美元最终将影响服务器设计和战略数据中心决策，从而成为一个主要的价值指标。

因此，基于每密度的美元数，与硅相比，基于GaN的电源成本更低，在设计上提供了更多的机会，同时也具有更大的价值。这也是一些最大的服务器原始设备制造商将GaN晶体管作为其电源设计的一部分的原因之一。

利用GaN提供的改进的效率，我们实现了比硅功率密度大得多的电源。具体而言，用GaN替换硅基PSU可以帮助将PSU的尺寸缩小2x-3x。重要的是，较小的PSU可在单个服务器中容纳更多的计算和内存。这可以导致服务器密度增加高达56%。具体而言，GaN的引入可以将典型的30服务器/10电源机架升级为34服务器/6电源机架。结果是数据中心运营商在性能和收入方面获得了巨大的收益。

研究表明，改用氮化镓每年可以为数据中心的每十个机架增加300万美元的利润。为一级数据中心运营商节省的费用可能包括能源账单减少4.61亿美元、推迟新建设减少11亿美元的资本支出，以及服务器密度增加14亿美元的收入。

图3：通过GaN功率晶体管改造数据中心

GaN具有重大意义

数据中心是当今世界的技术支柱，对于数据中心运营商来说，能效、能源成本和可持续性已变得至关重要。解决这些问题需要我们在数据中心使用的技术进行一场革命，在这里，GaN具有重大意义。

使用氮化镓，您不仅可以节省能源效率，还可以在更小的空间中投入更多的电力，从而在数据中心服务器机架中留出更多空间用于计算和存储。要使一级数据中心变得更具可持续性、盈利能力和性能，而无需对现有基础设施进行大规模改造，GaN就是解决方案。