如今，人們每天都在創(chuàng)建、存儲(chǔ)和提供大量的數(shù)據(jù)。社交網(wǎng)絡(luò)、在線(xiàn)視頻、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及汽車(chē)高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）等都是數(shù)據(jù)沖擊的主要貢獻(xiàn)者。例如，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)CoughlinAssociates公司預(yù)計(jì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)每秒將產(chǎn)生1千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。盡管距離人們完全依賴(lài)自動(dòng)駕駛汽車(chē)還有一段時(shí)間，但寶馬、福特和豐田等汽車(chē)制造商正在計(jì)劃如何管理和支持未來(lái)的數(shù)據(jù)中心。

與此同時(shí)，根據(jù)一些預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗全球2％的電力，而這一數(shù)字可能將達(dá)到5％。雖然數(shù)據(jù)中心與過(guò)去十年相比更加節(jié)能，但必須采取措施提高效率。

以下對(duì)使用氮化鎵（GaN）電源轉(zhuǎn)換技術(shù)如何為設(shè)計(jì)高效、緊湊的服務(wù)器電源提供最佳選擇進(jìn)行闡述。而由此產(chǎn)生的節(jié)能優(yōu)勢(shì)可以使處理大量數(shù)據(jù)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心節(jié)省更多的成本和電力，可以避免構(gòu)建新數(shù)據(jù)中心。

提高數(shù)據(jù)中心的效率

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及其工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等新興應(yīng)用蓬勃發(fā)展，以及生成數(shù)TB數(shù)據(jù)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)即將應(yīng)用，這意味著新的服務(wù)器部署必須呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。與此同時(shí)，美國(guó)國(guó)家資源保護(hù)委員會(huì)（NDC）的研究表明，許多企業(yè)和多租戶(hù)數(shù)據(jù)中心實(shí)際上浪費(fèi)了大部分能源。因此，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器效率必須提高，以便最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)施，同時(shí)減少對(duì)新建筑物的需求。

數(shù)據(jù)中心的最大運(yùn)行成本是服務(wù)器運(yùn)行的電能，這可能高達(dá)運(yùn)營(yíng)總成本的40％。通常約有5%-10％的電能被浪費(fèi)掉。此外，到2020年，數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)計(jì)將增加到每年大約1400億千瓦時(shí)，這相當(dāng)每年需要支付130億美元的電費(fèi)，并產(chǎn)生近1.5億噸的碳排放量。

使用氮化鎵（GaN）而不是硅晶體管進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的進(jìn)展使其能源使用預(yù)計(jì)減少了幾個(gè)百分點(diǎn)。除了節(jié)能效益之外，這些技術(shù)還可以促進(jìn)數(shù)據(jù)中心采用數(shù)量更少或體積更小的電源，從而減少對(duì)數(shù)據(jù)中心空間和電力的需求，如圖1所示。GaN Systems公司首席執(zhí)行官Jim Witham在討論數(shù)據(jù)中心效率時(shí)解釋了節(jié)省空間的好處：“如果可以使服務(wù)器電源更小，就可以使用更少的空間進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，并在同一空間內(nèi)部署更多的服務(wù)器。如果企業(yè)將更多服務(wù)器放在同一空間中，那么可以更好地利用資產(chǎn)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心管理者來(lái)說(shuō)，可以增加更多的電力容量。通過(guò)使用更高效的電源，可以推遲企業(yè)投資建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心。”

圖1使用氮化鎵（GaN）改善電源系統(tǒng)意味著更多的機(jī)架空間

氮化鎵優(yōu)于硅器件

在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心中，典型的服務(wù)器電源效率為96％左右。而提高這個(gè)數(shù)字通常涉及優(yōu)化控制方法和拓?fù)湟约靶碌拇判栽�件，但是進(jìn)一步提高效率的最接近的解決方案是從傳統(tǒng)的硅器件轉(zhuǎn)變?yōu)榈�化鎵�?/p>

例如，采用硅器件MOSFET技術(shù)的典型電源具有94％-96％的效率。功率損耗的一半發(fā)生在電源的功率因數(shù)校正（PFC）階段。另一半在供電的電源轉(zhuǎn)換部分損耗。基于最先進(jìn)MOSFET的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半橋PFC效率高達(dá)97.5％。相比之下，由于氮化鎵器件的固有特性，可以采用更先進(jìn)的圖騰柱PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且只需1％的功率損耗即可實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵功能。如圖2所示，圖騰柱電路設(shè)計(jì)還將總組件數(shù)量減少了30％。

圖2. 氮化鎵（GaN）圖騰柱電路技術(shù)與采用硅器件的MOSFET相比具有相當(dāng)大的效率優(yōu)勢(shì)

電源制造商采用氮化鎵（GaN）器件的回報(bào)是更快的開(kāi)關(guān)元件。由于電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的大部分低效率是“開(kāi)關(guān)損耗”的結(jié)果，因此氮化鎵（GaN）器件比較速度慢的MOSFET開(kāi)關(guān)元件提供了效率優(yōu)勢(shì)。此外，更快的開(kāi)關(guān)速度大大減小了磁性和電容電路元件的尺寸。

氮化鎵對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響

數(shù)據(jù)中心的能耗是功率損耗和冷卻的復(fù)雜組合。在數(shù)據(jù)中心中，提供給服務(wù)器的電源需要多次轉(zhuǎn)換，大約30％的電能會(huì)因效率低下而丟失。所有這些電力損耗產(chǎn)生的熱量必須被移除，以保持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行。

圖3.氮化鎵（GaN）可以將整體數(shù)據(jù)中心效率提高到84％

GaN器件用于從交流電（AC）到直流電（DC）的電源轉(zhuǎn)換，然后用于轉(zhuǎn)換負(fù)載的直流（DC）電源，可以將整體效率從原來(lái)的77％提高到84％，如圖3所示。根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商GaN Systems公司的研究，GaN器件可以將每個(gè)機(jī)架的電力成本降低2300美元以上，整體運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省超過(guò)2.4億美元。數(shù)據(jù)中心的功率密度將增加25％以上，全球的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商將增加14億美元的收入機(jī)會(huì)，同時(shí)通過(guò)推遲數(shù)據(jù)中心建設(shè)，將會(huì)推遲近11億美元的資本支出。

結(jié)論

即將到來(lái)的大量數(shù)據(jù)正在推動(dòng)對(duì)日益可擴(kuò)展高效和靈活的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的需求。采用氮化鎵（GaN）器件的電源系統(tǒng)可提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)創(chuàng)建更小、更輕、成本更低、效率更高的電力系統(tǒng)，對(duì)這種高性能技術(shù)的投資意味著獲得更高的能源效率和空間效率。氮化鎵（GaN）技術(shù)將使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商不僅更好地運(yùn)營(yíng)自己的業(yè)務(wù)，而且最終在改變能源和數(shù)據(jù)相關(guān)的世界中發(fā)揮重要的作用。

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