Революция широкозонных полупроводников в энергосистемах дата-центров

SiC и GaN на передовой линии фронта

Современная эпоха характеризуется экспоненциальным ростом вычислительных мощностей, обусловленным, в первую очередь, развитием парадигмы искусственного интеллекта (ИИ) и методов машинного обучения (МО). Этот тренд ставит перед инфраструктурой центров обработки данных (ЦОД) беспрецедентные вызовы в области энергоэффективности и плотности мощности. Традиционные кремниевые (Si) решения для систем электропитания, долгое время доминировавшие в отрасли, приближаются к своим фундаментальным технологическим пределам. В этой связи, широкозонные полупроводниковые материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), выступают в качестве ключевых технологических инноваций, способных обеспечить качественный скачок в характеристиках энергосистем ЦОД и удовлетворить растущие потребности отрасли.

Драйверы спроса

Взрывной рост приложений ИИ, охватывающих широкий спектр задач от обработки естественного языка до компьютерного зрения, генерирует колоссальные объемы данных и требует экспоненциального увеличения вычислительных ресурсов. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA), глобальное потребление электроэнергии центрами обработки данных в 2022 году оценивалось в диапазоне 1-1,3% от общемирового потребления электроэнергии. При этом, доля энергопотребления ЦОД демонстрирует устойчивую тенденцию к росту. В частности, вычислительные нагрузки, связанные с ИИ, отличаются значительно более высокой плотностью мощности на стойку и динамическим профилем энергопотребления, что предъявляет повышенные требования к системам электропитания, которые должны обеспечивать не только высокую эффективность, но и гибкость в управлении энергопотреблением.

Кремниевые MOSFET и IGBT транзисторы, в настоящее время являющиеся доминирующими компонентами в системах электропитания ЦОД, сталкиваются с рядом фундаментальных ограничений, препятствующих дальнейшему повышению эффективности и плотности мощности. Повышение частоты переключения, необходимое для миниатюризации пассивных компонентов, приводит к значительному увеличению потерь на переключение в кремниевых устройствах. Кроме того, кремний характеризуется относительно невысокой теплопроводностью, что усложняет эффективный отвод тепла в высокоплотных системах и ограничивает возможности для дальнейшей миниатюризации.

Прорыв в эффективности и плотности мощности

Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) относятся к классу широкозонных полупроводников, обладающих рядом фундаментальных физических свойств, превосходящих характеристики кремния и делающих их перспективными материалами для создания энергоэффективных систем электропитания нового поколения. Ключевые преимущества SiC и GaN включают:

• Увеличенная ширина запрещенной зоны: Ширина запрещенной зоны SiC и GaN примерно в три раза превышает аналогичный параметр для кремния. Это позволяет устройствам на основе SiC и GaN работать при более высоких напряжениях, температурах и частотах переключения, минимизируя потери на проводимость и переключение.

• Повышенная подвижность электронов (для GaN): Нитрид галлия демонстрирует значительно более высокую подвижность электронов по сравнению с кремнием и SiC. Это обеспечивает более быстрое переключение и снижение динамических потерь, особенно на высоких частотах.

• Улучшенная теплопроводность (для SiC): Карбид кремния обладает теплопроводностью, примерно в три раза превышающей теплопроводность кремния. Это облегчает эффективный отвод тепла от силовых компонентов и позволяет разрабатывать более компактные и надежные системы охлаждения.

Совокупность этих свойств транслируется в конкретные преимущества при использовании SiC и GaN в системах электропитания ЦОД:

• Повышение общей эффективности: Применение SiC и GaN позволяет достичь значительно более высокой эффективности преобразования энергии, снижая потери в системе электропитания и уменьшая общее энергопотребление ЦОД. По оценкам аналитической компании Yole Développement, переход на SiC и GaN в системах электропитания ЦОД потенциально может повысить общую эффективность на 2-3%. В масштабах крупного ЦОД, такое повышение эффективности приводит к существенной экономии энергии и снижению операционных расходов.

• Увеличение плотности мощности: За счет более высоких частот переключения и эффективности, SiC и GaN позволяют существенно уменьшить габариты пассивных компонентов (индуктивностей, конденсаторов) и системы охлаждения. Это приводит к значительному увеличению плотности мощности систем электропитания, освобождая ценное пространство в стойках ЦОД и снижая занимаемую площадь.

• Повышение надежности и долговечности: Работа силовых компонентов при более низких температурах и уменьшение тепловых нагрузок способствуют повышению надежности и долговечности систем электропитания. Это, в свою очередь, снижает вероятность отказов и простоев ЦОД, что критически важно для обеспечения непрерывности бизнес-процессов.

Тенденции рынка

Упоминание Navitas Semiconductor и их разработок в области блоков питания для ЦОД на CES 2025 (пока еще не состоявшейся) указывает на активность компании в данном сегменте рынка. Navitas, являясь одним из ведущих производителей GaN-компонентов, действительно активно разрабатывает решения для систем электропитания высокой мощности. В частности, на выставке CES 2023, Navitas представила референс-дизайн 4 кВт блока питания для ЦОД на базе GaNFast Power ICs, наглядно демонстрируя потенциал GaN технологий в области энергоэффективных ЦОД.

Рынок SiC и GaN компонентов для систем электропитания ЦОД демонстрирует динамичный рост. Согласно данным аналитического агентства Omdia, объем рынка GaN силовых полупроводников для ЦОД в 2022 году оценивался приблизительно в 100 миллионов долларов США и прогнозируется его рост до 800 миллионов долларов США к 2027 году, со среднегодовым темпом роста (CAGR) около 50%. Аналогичные позитивные тенденции наблюдаются и на рынке SiC компонентов, хотя точные цифры могут варьироваться в зависимости от методологии подсчета и конкретных рыночных сегментов.

Внедрение широкозонных полупроводников SiC и GaN представляет собой фундаментальный технологический сдвиг в архитектуре систем электропитания центров обработки данных. Превосходные технические характеристики этих материалов обеспечивают значительное улучшение ключевых параметров, таких как эффективность, плотность мощности и надежность. Эти улучшения являются критически важными для удовлетворения постоянно растущих потребностей в энергопотреблении современных ЦОД, особенно в контексте экспоненциального распространения приложений искусственного интеллекта. Несмотря на то, что массовое внедрение SiC и GaN в сегменте ЦОД все еще находится на относительно ранней стадии, уже сейчас наблюдается значительный интерес со стороны производителей оборудования и операторов ЦОД. Это подтверждает высокий потенциал широкозонных полупроводников как ключевой технологической платформы для создания энергоэффективных вычислительных инфраструктур будущего.

Примечание от b2b.ultra.by

Приведенные в статье рыночные данные являются оценочными и могут варьироваться в зависимости от источника. Для получения более точной и актуальной информации рекомендуется обращаться к специализированным отчетам исследовательских агентств и официальным заявлениям производителей полупроводниковых компонентов. Информация о CES 2025 и конкретных продуктах Navitas носит предварительный характер и требует уточнения по мере поступления официальных данных и анонсов.

b2b.ultra.by - оптовый поставщик техники.

Источник: Антон Муха 3 марта 2025