AI推动数据中心对功率MOSFET的需求

2026-05-15 09:17 来源：英飞凌官微电源管理 20 次阅读

摘要：长期以来，能源消耗一直是数据中心运营商关注的重要问题，随着AI的兴起，这一挑战变得更加严峻。为了支撑AI工作负荷的爆发式增长，数据中心对电力的需求逐年攀升，因此实现尽可能高的能效至关重要。英飞凌提出了一项战略，旨在提升从电网到核心的整个能源系**统性能**。本文将重点探讨AI如何推动数据中心架构升级，以及这些变化对服务器和机柜技术带来的影响。具体而言，我们将介绍数据中心通过向48V架构转型以提升

长期以来，能源消耗一直是数据中心运营商关注的重要问题，随着AI的兴起，这一挑战变得更加严峻。为了支撑AI工作负荷的爆发式增长，数据中心对电力的需求逐年攀升，因此实现尽可能高的能效至关重要。

英飞凌提出了一项战略，旨在提升从电网到核心的整个能源系**统性能**。本文将重点探讨AI如何推动数据中心架构升级，以及这些变化对服务器和机柜技术带来的影响。具体而言，我们将介绍数据中心通过向48V架构转型以提升能效的趋势，并讨论如何在服务器、机柜和相关设备中采用高性能Si MOSFET，以支持这一架构升级。

数据中心与电力

目前，数据中心的电力消耗约占全球总用电量的2%，但到2030年，这一比例可能上升至7%。为了更直观地理解这一数字，全球数据中心的电力消耗规模已接近当今整个印度的用电水平。

AI需求的快速增长正在推动这一趋势。大多数AI工作负荷在GPU上运行效果更佳，而运行AI工作负荷的GPU也会消耗更多功率。同时，其产生的热也大幅增加，因此需要更大规模的冷却系统，而这些冷却系统本身也会进一步增加电力消耗。

为了满足未来数据中心行业的电力需求，全球范围内将需要大量投资建设新的发电厂。这也进一步凸显了一个关键问题：必须最大限度地提高数据中心的能效。

数据中心架构升级

为了提高数据中心的能效，行业采取的一项重要措施是将中间母线电压从12V架构升级为48V。

一个机柜通常容纳4台或更多服务器。如今，一个仅运行CPU的服务器机柜功耗大约为3kW到5kW，而当机柜中部署大量运行高性能GPU和加速器以处理AI工作负荷的服务器时，其功耗可能达到10kW到100kW，甚至更高。

其后果是可以预见的。在电压保持不变的情况下，随着电流增加，传输损耗将显著上升（P = I2R）。与此同时，数据中心的电流预计在持续快速增长。

因此，提高电压成为最大限度地减少传输损耗，并提升供电效率的必要手段。数据中心向48V架构的转型已在数年前启动。

当来自数据中心的交流电进入机柜后，首先会被转换为直流电，并经过多级降压，先降至48V，再降至12V或6V，最终降至满足数据中心不同服务器中处理器（CPU、GPU、TPU）需求的精确电压水平。这些处理器通常需要约1VDC的电压。

对这一过程的每个阶段进行优化，对于最大限度地减少能量损耗并提升效率至关重要。这正是高性能MOSFET发挥关键作用的领域。

MOSFET的作用

MOSFET是实现高效功率转换的关键器件，从208至277 VAC输入电压开始，在逐级降至48V、12V、6V、1V或更低电压的过程中，MOSFET贯穿整个电源分配网络，覆盖从机柜到电路板，再到IC的各个层级。在这些路径中，MOSFET同样承担着AC-DC转换的重要角色。

MOSFET是电源分配系统以及多个机柜和服务器子系统的核心器件。这些子系统包括：开关电源（SMPS）、电源单元（PSU）、中间总线转换器（IBC）、负载点（POL）和电池备用单元（BBU）。

在电源设计中，一项基本原则是选择额定电压高于工作电压的MOSFET，因此，在采用48V中间母线架构时，通常需要使用80V至650V的MOSFET。

来自电网的电能进入数据中心后，首先会经过SMPS，通常是钛金级SMPS（按照定义，其效率高于97%）。数据中心通常会指定使用钛金级功率技术，也就是当前能效最高的方案。

PSU

一个典型的机柜电源架通常集成6个左右的PSU。在PSU中，MOSFET主要用于功率因数校正（PFC），隔离式DC/DC功率转换器的初级侧和次级侧，在直流输出端的ORing电路中，MOSFET还可以代替二极管。

在数据中心电源分配网络中，MOSFET是多个子系统的关键器件，有助于降低电压，并对电能进行调节。这些子系统包括SMPS、PSU、IBC、POL和BBU。

在PFC和隔离式DC/DC转换器初级侧中，通常采用650V MOSFET。这些MOSFET可以是Si MOSFET（例如：英飞凌的CoolMOSTM超结MOSFET），也可以是SiC MOSFET（例如：CoolSiCTM）。在隔离式DC/DC转换器中，LLC是最常用的拓扑结构。LLC转换器（采用全桥整流）的次级侧同步整流FET和输出端的ORing MOSFET通常采用80V MOSFET。英飞凌的80V OptiMOSTM 6 Power MOSFET技术通过提供低RDS(on) MOSFET，可显著提升系统效率，从而实现明显的性能提升。

LLC转换器（采用全桥整流）的次级侧同步整流FET和输出端的ORing MOSFET通常采用80V MOSFET。

除了追求最高功率效率外，PSU设计人员还希望器件能够尽可能小型化，以提高功率密度并支持散热管理。

在数据中心电源分配网络中，MOSFET是多个子系统的关键器件，有助于降低电压，并对电能进行调节。这些子系统包括SMPS、PSU、IBC、POL和BBU。

IBC

在每个机柜中，都包含大量计算托盘和交换托盘。IBC的作用是将48V转换为机柜内各个子系统所需的多个电压等级。

为此，在电源分配板上的48V第一级转换器中，集成了多个MOSFET，用于高效地将电压降至中间电压等级，常见的包括12V、9.6V、8V、6V和4.8V。

这张BBU剖面示意图展示了MOSFET在数据中心多个子系统中的多种应用位置。

在GPU板上的第二级POL转换器中，还需要更多的MOSFET（通常为25V MOSFET），以便根据具体处理器的要求，将电压进一步高效降至1V或接近1V。目前，AI加速器模块的功率等级已经超过750W，电流最高可达1000A（在0.75V核心电压下）。当一块主板上集成多达8个此类模块时，其功率等级和散热管理面临巨大挑战。

服务器机柜可以采用多种不同配置，这也将决定IBC的具体配置方式。设计人员需要考虑散热管理方案（例如：风冷还是水冷）；在质量和可靠性之间取得平衡，以达到目标的平均故障间隔时间；随着GPU功率的增加，预测未来的功率密度需求；以及在保证效率的同时，兼顾总体拥有成本（TCO）。

具体的器件选择依然取决于具体配置，但通常而言，80V MOSFET更适用于初级侧/输入侧，而15V至60V MOSFET适用于次级侧/输出侧。英飞凌的OptiMOSTM Power MOSFET可提供优异的性能，其特点包括超低RDS(on)和更高的品质因数，非常适合高开关频率应用。

该BBU剖面示意图展示了MOSFET在数据中心

多个子系统中多个位置的应用

OptiMOSTM 5 Power MOSFET采用的新型 SuperSO8 封装可实现更高的功率密度，并提升稳健性，从而获得优异的效率和系统可靠性。芯片上产生的热量约有30%会传递到顶部散热器；裸露的铜夹（clip）设计有助于实现更有效的顶部散热。

BBU和热插拔

在每个服务器机柜中的BBU中，也需要使用MOSFET。电池管理系统和内部DC/DC转换器通常都会采用80V和100V的MOSFET。

MOSFET在另一个子系统中同样发挥着关键作用。数据中心通常被设计成支持热插拔板卡，以便更换故障板卡，或将其升级为性能更强或具备新处理能力的同类板卡。MOSFET在热插拔电路中提供保护功能，这类应用通常采用100V MOSFET。英飞凌OptiMOSTM 5 Linear FET 2是实现此类保护功能的理想器件。