В этой статье технологический аналитик Мэтью Фолл рассматривает влияние этих инноваций на центры обработки данных для ИИ. Как инновации в области электромобилей с напряжением 800 В меняют облик центров обработки данных для ИИ. За последнее десятилетие индустрия электромобилей стала доминирующей областью применения силовой электроники. Большинство производителей силовой электроники годами получали основной доход от автомобильной промышленности, и инновации в этой области были в основном сосредоточены на повышении эффективности и производительности электрических приводных систем. Однако за последние два года крупные производители силовой электроники наблюдали постепенную стагнацию своих доходов от автомобильной промышленности на фоне сокращения государственных субсидий и усиления конкуренции со стороны высоко вертикально интегрированных китайских производителей электромобилей.

Хотя IDTechEx продолжает прогнозировать долгосрочный рост рынка электромобилей, многие игроки изучают альтернативные и растущие области применения силовой электроники. Центры обработки данных, и особенно центры обработки данных для ИИ, представляют собой быстрорастущий и инновационный рынок, где все чаще используются широкополосные полупроводники, такие как SiC и GaN, для поддержки все более мощных и энергоемких моделей обучения ИИ. Согласно прогнозам IDTechEx, представленным в отчете о рынке «Рынок силовой электроники 2026-2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии», ожидается, что к 2036 году рынок силовой электроники для центров обработки данных вырастет в 2,5 раза.

В ближайшие годы произойдет кардинальное изменение в архитектуре электропитания центров обработки данных, связанное с переходом к высоковольтным центрам обработки данных (800 В постоянного тока), что приведет к увеличению мощности стоек на порядок. Эта модернизация архитектуры электропитания центров обработки данных напрямую связана с силовой электроникой электромобилей, работающих от напряжения 800 В, начиная от используемых материалов и заканчивая механизмами безопасности и защиты от высокого напряжения.

Центры обработки данных, занимающиеся ИИ, сталкиваются с проблемой перегрузки и ищут вдохновение в силовой электронике электромобилей. В ноябре 2022 года ChatGPT перенесла искусственный интеллект из научной фантастики в реальный мир. С тех пор ИИ стал все более распространенным, и ведущие компании-разработчики программного обеспечения для ИИ, особенно в США и Китае, инвестировали миллиарды долларов в разработку более сложных и мощных моделей ИИ. Индустрия графических процессоров быстро развивается, чтобы соответствовать более совершенным моделям обучения.

Каждое новое поколение серверов требует всё больше энергии, и существующая архитектура стоек в центрах обработки данных просто не может поддерживать серверы следующего поколения Nvidia "Vera Rubin Ultra". Потребляемая мощность стоек резко возросла: с примерно 20 кВт до ChatGPT до 100 кВт сегодня, и ожидается, что к концу десятилетия она превысит 1 МВт. При использовании современных силовых электронных компонентов и архитектуры центров обработки данных 480/54 В, для стойки мощностью 1 МВт потребуется выделить всё пространство под преобразование энергии и более 200 кг медных проводов.

Эффективность центров обработки данных была и остается ключевым фактором проектирования. Плотность мощности центров обработки данных — количество энергии, обрабатываемой на единицу объема — станет все более важным показателем при проектировании центров обработки данных для ИИ. В статье «Рынок силовой электроники 2026–2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии» IDTechEx анализирует два ключевых достижения в области центров обработки данных, которые будут способствовать этому переходу: внедрение широкополосных полупроводников и архитектура центров обработки данных с напряжением 800 В постоянного тока. Оба достижения стали возможны непосредственно благодаря технологическим инновациям в области электромобилей.

Архитектура 800 В для электромобилей, созданная благодаря использованию широкополосных полупроводников (WBG), позволяет радикально изменить эффективность силовой установки

Архитектура 800 В для электромобилей начала коммерциализацию в 2019 году с Porsche Taycan и постепенно внедряется в высокопроизводительные модели, а также, все чаще, в бюджетные варианты. Две основные причины внедрения платформы 800 В связаны с увеличением скорости зарядки и уменьшением веса проводки и потерь I²R, что повышает общую эффективность электромобилей. Переход к 800 В был поддержан усовершенствованиями и коммерциализацией широкополосных полупроводников (WBG), в частности карбида кремния (SiC). При напряжении 800 В повышение эффективности SiC по сравнению с существующими технологиями кремниевых IGBT и MOSFET является значительным и компенсирует более высокую стоимость силовых полупроводников из карбида кремния.

Учитывая, что электромобили занимают большую часть рынка силовой электроники, инновации в этой области сосредоточены на электромобилях и электрических силовых установках как на основе технологий SiC, так и GaN. Это привело к значительной коммерциализации и снижению стоимости обоих широкополосных материалов, а также продемонстрировало их долговременную надежность в суровых условиях и превосходство над кремнием в высоковольтных приложениях. Инновации в области GaN были значительными из-за большого интереса к его потенциальному будущему применению в электромобилях. Однако внедрение GaN в электромобили происходит медленно, поскольку этот материал лучше подходит для низковольтных высокочастотных приложений.

Инновации в области широкополосных полупроводников и высоковольтных линий постоянного тока обеспечивают перспективность центров обработки данных для обучения и вывода результатов искусственного интеллекта следующего поколения

Благодаря технологическим инновациям и коммерциализации широкополосных полупроводников, в значительной степени обусловленной развитием электромобилей, внедрение широкополосных технологий в силовую электронику центров обработки данных ускорилось. В типовых проектах блоков питания (БП) мощностью 8 кВт и 12 кВт от ведущих производителей силовой электроники, таких как Infineon и Navitas, для высоковольтного преобразования и коррекции коэффициента мощности (КК) используется SiC, а для низковольтного преобразования — GaN.

Благодаря более низкому уровню преобразования напряжения и возможности гораздо более быстрого переключения (до МГц), преимущества GaN в центрах обработки данных весьма желательны; GaN, вероятно, получит большее распространение в центрах обработки данных, чем в электромобилях. Переход к широкозонным полупроводникам в центрах обработки данных приводит к повышению эффективности, но, что более важно, также обеспечивает значительное увеличение плотности мощности за счет уменьшения размеров устройств на основе SiC и GaN и сокращения размеров пассивных компонентов, таких как конденсаторы и индукторы.

Подобно тому, как полупроводники на основе широкой запрещенной зоны (WBG) позволили перейти к напряжению 800 В в архитектуре электромобилей, они также облегчат переход к центрам обработки данных на основе искусственного интеллекта с напряжением 800 В постоянного тока/высоковольтным постоянным током (HVDC). Имея в своем распоряжении прецедент архитектуры 800 В и разработку необходимых оценок безопасности и процессов, которые могут быть адаптированы из электромобилей в центры обработки данных, разработка архитектуры центров обработки данных на основе HVDC может быть ускорена за счет использования существующих энергетических архитектур электромобилей. Ожидается, что переход к напряжению 800 В постоянного тока упростит архитектуру центров обработки данных и обеспечит их перспективность.

Благодаря меньшему количеству каскадов преобразования энергии и более низким потерям I2R, эффективность центров обработки данных повысится. Меньшее количество точек отказа снижает вероятность простоя. Что наиболее важно, архитектура центров обработки данных на 800 В постоянного тока позволяет подавать значительно более высокие уровни мощности на серверные стойки, поддерживая будущие поколения графических процессоров и моделей обучения ИИ. Взаимосвязь приложений силовой электроники усложняет рынок. Инновации в одном приложении могут напрямую влиять на масштабные изменения в другом. В отчете «Рынок силовой электроники 2026-2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии» анализируются межотраслевые инновации в материалах, производстве и архитектуре устройств, предоставляя четкий обзор отрасли силовой электроники в целом.

Автор: Мэтью Фолл, аналитик в сфере технологий