．淺析 GaN 的優勢及對數據中心的影響

什麼是 GAN 生成對抗網路 (深度學習)? 
What is Generative Adversarial Nets GAN (deep learning)?

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來源：电子发烧友网

在我們現在的日常生活中，每天都有不斷成長的數據，被產生、儲存及服務，而社交網路、線上視訊、物聯網設備，和汽車高級駕駛員輔助系統(ADAS)，則是這些數據尤其主要的貢獻者。

以 ADAS 為例，數據儲存咨詢公司 Coughlin Associates 預計，自動駕駛汽車每秒將產生 GB 的數據。儘管我們距離完全依賴自動駕駛汽車技術，仍需很長一段時間，但寶馬、福特和豐田等汽車製造商，已紛紛計劃著如何管理和支持，未來的數據中心。

與此同時，數據中心已消耗了全球 2% 的功率，據預測這一數值可能會達到5%。雖然它們比過去十年更高效更節能，但採取措施大幅度提高效率、降低能耗，仍是迫在眉睫。

GaN (氮化鎵)電源轉換技術，為設計高效且緊湊的伺服器電源提供最佳選擇，它產生的系統成本和節能優勢，可以使現有數據中心處理更大量的數據，一定程度上減少了建設新數據中心的需求。

數據中心的效率

新興的應用包括物聯網(工業物聯網，萬物互聯等)，以及常規可生成萬億字節數據的自動駕駛汽車，它們通常會生成太字節的數據，這意味著新的伺服器安裝，必將呈指數級成長。

與此同時，國家資源保護委員會(NDC)的研究表明：許多小型、中型企業和多租戶數據中心，實際上浪費了它們所消耗的大部分能源。因此，必須提高伺服器群的效率，以便最大限度地利用現有設施，同時應對新擴建項目的需求。

數據中心最大的費用是運行伺服器的電力消耗，可能高達總成本的 40%，但這些電能中通常約有 5-10% 會被浪費。此外，到 2020 年數據中心能耗，預計將增加到每年大約 1400 億千瓦時，這將需要 17 個新發電廠，其年產量相當於美國企業每年 130 億美元的電費，而產生近 1.5 億公噸的碳排放量。

使用 GaN 替代 Si 晶體管，進行電源設計的進展，使這一能源使用，預測減少了幾個百分點。除了節能效益外，這些技術的進步，還可以使使用更少、更小的電源轉換，為更少的數據中心，如圖1 所示。

GaN Systems 公司首席執行官 Jim Witham，在一場關於數據中心效率的討論中，解釋了節省空間的好處：「如果您可以使服務器電源更小，那麼便可以使用更少的空間進行電源轉換，並將更多伺服器放在同一空間內。如果您將更多伺服器放在同一空間中，那麼便可以更好地使用資產。這對於數據中心經理來說，他們每平方米的容量會增加很多。我們在數據中心看到了 10 倍的成長，您也可以推遲實際花錢建立一個新的數據中心(透過使用更高效的電源)。」

　　圖1.使用GaN改善電源系統意味著更多的機架空間

　　

GaN 的優勢

在當今的數據中心中，典型的最先進的伺服器電源效率徘徊在 96% 左右。增加這個數位，通常涉及優化控制方法、拓撲，以及磁性元件，但是進一步提高效率，最接近的解決方案，是從傳統的 Si 器件轉變為 GaN。

例如，採用 Si MOSFET 技術的典型電源，具有 94-96% 的效率。一半的功率損耗發生在，電源功率因數校正(PFC)階段，另一半則在電源功率轉換部分消耗了。 

基於最先進 MOSFET 的工業標準，半無橋 PFC 效率高達 97.5%。相比之下，由於 GaN 器件的固有特性，可以採用更先進的圖騰柱拓撲結構 PFC，並且只需 1% 的功率損耗，即可實現這一關鍵功能，圖騰柱設計還將總組件數量減少了 30%，如圖2 所示。

　　圖2.GaN 橋接技術與 Si MOSFET 相比具有相當大的效率優勢

　　

電源製造商採用 GaN 器件的挑戰和回報，是實現更快的開關元件。由於功率轉換系統的大部分低效率，是「開關損耗」導致的，因此 GaN 器件與開關速度慢的 MOSFET 相比，有效率優勢。 此外，更高的開關速度，大大減小了磁性元件和電容電路元件的尺寸。

GaN器件對數據中心的影響

數據中心的能耗，是功率損耗和冷卻的複雜組合。在一般的數據中心中，當電流從電網，輸運至單個伺服器的微處理器時，需經過多重功率轉換，大約 30% 的功率，會因轉換效率低下而損耗，所有這些能量產生的熱量必須被移除，以保持數據中心正常運行。

　　圖3.GaN 可以將數據中心的總體效率提高到 84%

　　

GaN 器件用於從交流到直流的功率轉換，然後用於轉換負載的直流電壓，可以將 Si 器件的整體效率，從 77% 提高到接近 84%，如圖 3 所示。

根據一級數據中心營運商 GaN Systems 的研究，GaN 器件可以將每個機架的能源成本，降低 2,300 多美元，使營運成本節省超過 2.4 億美元。

如果該營運商的電力密度增加 25% 以上，將增加14億美元的伺服器以及儲存器收益機會，而延遲數據中心建設，將推遲近11億美元的資本支出。

結論

即將到來的大量數據，正在推動可擴展、高效和靈活的數據中心基礎設施的需求。採用 GaN 器件的電源系統，可提供更高的功率轉換效率，對這種高性能技術的投資，意味著透過創建更小、更輕、成本更低、效率更高的電力系統，提高能源和空間效率。

GaN技術將使數據中心運營商，不僅重新構想自己的業務，而且最終在改變能源和數據相關的世界中發揮作用。461180829

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