Questo articolo dell'analista tecnologico Matthew Fall esamina l'impatto di queste innovazioni sui data center per l'intelligenza artificiale. Come le innovazioni nel settore dei veicoli elettrici a 800 V stanno ridefinendo i data center per l'IA. Nell'ultimo decennio, l'industria dei veicoli elettrici è diventata l'area di applicazione dominante per l'elettronica di potenza. La maggior parte dei produttori di elettronica di potenza ha tratto per anni profitto dall'industria automobilistica come principale fonte di reddito, e le innovazioni in questo campo si sono concentrate principalmente sul miglioramento dell'efficienza e delle prestazioni dei sistemi di propulsione elettrica. Tuttavia, negli ultimi due anni, i principali produttori di elettronica di potenza hanno visto i loro ricavi provenienti dall'industria automobilistica ristagnare gradualmente, a causa della riduzione degli incentivi governativi e della concorrenza sempre più agguerrita dei produttori cinesi di veicoli elettrici altamente integrati verticalmente.

Sebbene IDTechEx continui a prevedere una crescita a lungo termine nel mercato dei veicoli elettrici, molti operatori stanno esplorando aree di applicazione alternative e in espansione per l'elettronica di potenza. I data center, e in particolare i data center per l'intelligenza artificiale, rappresentano un mercato in rapida crescita e innovazione, con una crescente adozione di semiconduttori a banda larga come SiC e GaN per supportare modelli di addestramento di IA sempre più potenti e ad alta intensità energetica. Secondo le previsioni di IDTechEx contenute nel rapporto di mercato "Power Electronics Market 2026-2036: Data Centers, Electric Vehicles, and Renewables", il mercato dell'elettronica di potenza per i data center dovrebbe crescere di 2,5 volte entro il 2036.

Nei prossimi anni, si verificherà un cambio di paradigma nell'architettura di alimentazione dei data center, con il passaggio ai data center HVDC (800 VDC), che comporterà un aumento di un ordine di grandezza della potenza assorbita dai rack. Questa revisione dell'architettura di alimentazione dei data center è direttamente influenzata dall'elettronica di potenza dei veicoli elettrici a 800 V, dai materiali utilizzati ai meccanismi di sicurezza e protezione ad alta tensione.

I data center per l'IA si trovano ad affrontare un collo di bottiglia e guardano all'elettronica di potenza dei veicoli elettrici per trovare ispirazione. Nel novembre 2022, ChatGPT ha portato l'intelligenza artificiale dalla fantascienza al mondo reale. Da allora, l'IA è diventata sempre più diffusa e le principali aziende di software per l'IA, in particolare negli Stati Uniti e in Cina, hanno investito miliardi di dollari nello sviluppo di modelli di IA più complessi e potenti. Il settore delle GPU si è evoluto rapidamente per supportare modelli di addestramento più avanzati.

Ogni nuova generazione di server richiede più potenza e l'attuale architettura dei rack dei data center semplicemente non è in grado di supportare i server "Vera Rubin Ultra" di prossima generazione di Nvidia. I livelli di potenza dei rack sono aumentati vertiginosamente, passando da circa 20 kW prima di ChatGPT a 100 kW oggi, e si prevede che supereranno 1 MW entro la fine del decennio. Con l'elettronica di potenza al silicio odierna e l'architettura dei data center a 480/54 V, un rack da 1 MW richiederebbe di dedicare l'intero spazio del rack alla conversione di potenza e necessiterebbe di oltre 200 kg di rame.

L'efficienza dei data center è stata e rimane una considerazione progettuale fondamentale. La densità di potenza dei data center, ovvero la quantità di energia elaborata per unità di volume, diventerà un parametro sempre più critico per la progettazione di data center per l'intelligenza artificiale. Nel rapporto "Power Electronics Market 2026–2036: Data Centers, Electric Vehicles, and Renewables", IDTechEx analizza due progressi chiave nei data center che faciliteranno questa transizione: l'adozione di semiconduttori a banda larga e l'architettura dei data center a 800 V CC. Entrambi sono stati resi possibili direttamente dalle innovazioni tecnologiche nel settore dei veicoli elettrici.

L'architettura a 800 V per i veicoli elettrici, resa possibile dai semiconduttori a banda larga (WBG), consente un cambiamento radicale nell'efficienza del sistema di propulsione

L'architettura a 800 V per i veicoli elettrici ha iniziato a essere commercializzata nel 2019 con la Porsche Taycan ed è stata progressivamente adottata nei modelli ad alte prestazioni e, sempre più spesso, anche in quelli più economici. I due principali fattori che hanno spinto all'adozione della piattaforma a 800 V sono legati all'aumento della velocità di ricarica e alla riduzione del peso del cablaggio e delle perdite I²R, che migliorano l'efficienza complessiva dei veicoli elettrici. Il passaggio a 800 V è stato supportato dai miglioramenti e dalla commercializzazione dei semiconduttori a banda larga (WBG), in particolare del carburo di silicio (SiC). A 800 V, i miglioramenti in termini di efficienza del SiC rispetto alle tecnologie esistenti IGBT e MOSFET al silicio sono significativi e compensano il costo più elevato dei semiconduttori di potenza al carburo di silicio.

Dato che i veicoli elettrici rappresentano la maggior parte della quota di mercato dell'elettronica di potenza, l'innovazione in questo campo si è concentrata sui veicoli elettrici e sui sistemi di propulsione elettrica, sia per le tecnologie SiC che GaN. Ciò ha portato a una significativa commercializzazione e a una riduzione dei costi per entrambi i materiali a banda larga, oltre a dimostrare la loro affidabilità a lungo termine in ambienti difficili e la loro superiorità rispetto al silicio nelle applicazioni ad alta tensione. Le innovazioni nel GaN sono state significative grazie al forte interesse per la sua potenziale futura adozione nei veicoli elettrici. Tuttavia, l'adozione del GaN nei veicoli elettrici è stata lenta, poiché il materiale è più adatto ad applicazioni a bassa tensione e alta frequenza.

Le innovazioni nei semiconduttori a banda larga e nella tecnologia HVDC (corrente continua ad alta tensione) stanno preparando i data center per il futuro, in vista dell'addestramento e dell'inferenza dell'intelligenza artificiale di prossima generazione

Grazie alle innovazioni tecnologiche e alla commercializzazione dei semiconduttori a banda larga, in gran parte trainata dai veicoli elettrici, l'adozione della tecnologia a banda larga nell'elettronica di potenza dei data center ha subito un'accelerazione. I progetti di riferimento per alimentatori (PSU) da 8 kW e 12 kW di aziende leader nel settore dell'elettronica di potenza, come Infineon e Navitas, integrano SiC per le fasi di conversione ad alta tensione e di correzione del fattore di potenza (PFC), e GaN per le fasi di conversione a bassa tensione.

Grazie alla minore conversione di tensione e alla possibilità di commutazioni molto più rapide (fino a MHz), i vantaggi del GaN nei data center sono estremamente interessanti; è probabile che il GaN si diffonda maggiormente nei data center rispetto ai veicoli elettrici. Il passaggio ai semiconduttori WBG nei data center porta a una maggiore efficienza, ma soprattutto, a un significativo aumento della densità di potenza, con dispositivi SiC e GaN più piccoli e una riduzione delle dimensioni dei componenti passivi come condensatori e induttori.

Così come i semiconduttori WBG hanno reso possibile il passaggio a 800 V nell'architettura dei veicoli elettrici, allo stesso modo faciliteranno la transizione ai data center AI a 800 V CC/HVDC. Grazie al precedente dell'architettura a 800 V e allo sviluppo delle necessarie valutazioni e procedure di sicurezza – adattabili dai veicoli elettrici ai data center – lo sviluppo dell'architettura dei data center HVDC può essere accelerato sfruttando le architetture di alimentazione esistenti dei veicoli elettrici. Si prevede che la transizione a 800 V CC semplificherà le architetture dei data center e le renderà a prova di futuro.

Grazie a un minor numero di stadi di conversione di potenza e a minori perdite I2R, l'efficienza dei data center aumenterà. Un minor numero di punti di guasto riduce la probabilità di tempi di inattività. Ancora più importante, l'architettura dei data center a 800 VDC consente di erogare livelli di potenza significativamente più elevati ai rack dei server, supportando le future generazioni di GPU e modelli di addestramento AI. L'interconnessione delle applicazioni di elettronica di potenza complica il mercato. Le innovazioni in un'applicazione possono influenzare direttamente cambiamenti su larga scala in un'altra. Il rapporto "Power Electronics Market 2026-2036: Data Centers, Electric Vehicles, and Renewables" analizza le innovazioni intersettoriali in materiali, produzione e architettura dei dispositivi, fornendo una chiara panoramica dell'industria dell'elettronica di potenza nel suo complesso.

Autore: Matthew Fall, analista tecnologico