发热克星：GaN如何防止数据中心过热

也许答案是电力电子器件，它从根源产生较少的热量……

数据中心是当今技术世界中不可或缺的一部分。随着云计算和机器学习（ML）等新技术越来越被广泛采用，工作负载日益增加，数据中心的压力也正在增加，在未来这一趋势只会持续，不会停止。

不幸的是，数据中心目前采用的电源转换和分配技术并不适合处理这种需求的增长。具体而言，基于硅的电力电子设备效率相对较低，最终要求数据中心采用特制的冷却系统来维持温度在安全范围。最终，因此而增加的开销使数据中心的可持续性降低，成本效益降低，对数据中心提供商和最终用户来说更加昂贵。

应对这一挑战的解决方案是氮化镓（GaN），作为经过验证的硅替代品，它可以提供卓越的性能和效率。GaN具有独特的优势，可以彻底革新数据中心的电力分配和电力转换，节省能源，减少对冷却系统的需求，并最终使数据中心更具成本效益和可扩展性。

传统技术和冷却需求

硅基电子学是一个相对古老的领域，其根源可以追溯到20世纪50年代。虽然该技术已经突飞猛进，但根本上其能力仍然受到材料本身的限制。

具体而言，在功率半导体领域，硅的电导率相对较低，开关速度较慢，导致其无法成为电力电子的理想材料。尽管如此，当今数据中心内的大多数电力电子设备仍然依赖硅基设备来实现功率转换和分配等功能。

与此同时，数据中心格局在过去十年中发生了巨大变化。如今，数据中心预计将运行比以往更多的计算密集型工作负载——需要更快的速度和更多的功耗来满足新的需求。再加上对硅技术的依赖，导致现代数据中心浪费了惊人的电力量，并产生了大量不必要的热量。

一些报告甚至发现，数据中心以热量的形式浪费了多达98%的电能。

如果我们继续依赖硅，过度的发热和对冷却系统的严苛要求将继续困扰着该行业，并成为瓶颈。这不是一条可持续的前进道路。

这是一个问题，因为它往往会降低服务器的性能，导致它们运行变慢，故障频率变高。这会对最终用户的性能产生负面影响，并且由于与数据中心相关的维护费用较高，因此会增加各项成本。

为了应对热挑战，数据中心使用复杂的冷却技术来保持安全的工作温度。虽然该方案有效，但它为数据中心的运营增加了显着的开销，数据中心运营商和客户的价格随之水涨船高。

在数据中心内，特别容易受到高浪费和发热影响的是功率转换和配电。

电源转换是数据中心的基本要素，其中电源和电力转换电路工作产生整个数据中心使用的所有电力。其中，AC/DC转换器、DC/DC转换器和稳压器等电路几乎都依赖硅晶体管作为开关器件。硅晶体管作为开关还控制进出数据中心内不同区域的电源流量和方向。

在这两种情况下，理想的情况是找到一种可以提高效率的硅的替代品。

由于令人印象深刻的材料特性，与硅晶体管相比，基于GaN的晶体管具有更快的开关速度，更高的导电性以及总体更优的性能。具体而言，GaN的电导率比硅高1000倍，并且在某些应用中已被证明与硅相比，可节省高达40%的功耗。

正因如此，GaN晶体管为数据中心电力电子应用中的传统硅提供了更高效率的替代品。使用GaN代替硅的结果是，数据中心电源转换和电能分配电路可以浪费更少的能量并产生更少的热量。

凭借这些优势，GaN将对数据中心行业产生革命性的积极影响。GaN可以显着减少数据中心对复杂冷却解决方案的需求，从而使它们的运行和维护成本更低，提供更长的使用寿命，并且降低开销。正因如此，研究发现，对于数据中心的每组10个机架，基于GaN的PSU可以增加300万美元的利润。

总而言之，切换到GaN的好处包括数据中心提供商和最终用户的成本降低，更高的性能和更高的可靠性。

随着计算密集型工作负载日益增加的趋势继续给数据中心带来前所未有的压力，该行业必须调整以跟上步伐。如果我们继续在数据中心依赖硅技术，过度的热量产生和对复杂的冷却系统的需求将继续困扰着整个行业，并成为可扩展性和经济效益的瓶颈。

硅技术无法成为该领域的可持续前进道路。最终，数据中心电源应用从硅切换到GaN将是未来数据中心发展的必要条件。