高算力一定是高电费吗？要看功率半导体怎么用！

DeepSeek等大模型的持续演进和升级，极大地加速了AI技术的扩散与部署步伐，推动全球智算中心规模不断扩张，以应对日益攀升的智算需求。这一发展趋势对算力基础设施产生了积极的促进作用，但与此同时，高能耗问题也日益凸显，成为制约智算中心发展的瓶颈。

目前，智算中心已经消耗了全球电力的1~2%。有预测显示，到2030年，这一比例可能会飙升至21%。为此，全球智算数据中心纷纷加大在供配电系统的投资力度，力求在提高功率密度的同时能够有效降低能耗。

AI基建能耗的挑战

作为支撑AI应用的基础设施，数据中心的重要性不言而喻。然而，随着AI需求的持续增长，数据中心正面临着日益严峻的能耗的挑战。

随着终端机柜功率密度的提升，智算中心中，GPU芯片算力的提升直接带动了其功耗的上升。以英伟达算力芯片为例，其H100/H200/H800等芯片的TDP设计功耗已达700W，而B200功耗更是达到了1000W，GB200的功耗则高达2700W，算力的快速提升直接导致了功率的迅速增长。

xAI不久前发布的Grok 3的数据中心配备了20万块英伟达H100 GPU，据估算，Grok 3超算集群年耗电量预计达4.3亿千瓦时，其核心训练集群的电力消耗高达150兆瓦，而下一代模型（如Grok 4）的训练将需要1.2吉瓦的电力。

从系统看，AI服务器通常由8卡GPU组合或NPU模组构成，单台服务器的功耗在5-10kW之间。当这些服务器进一步组成整机机柜时，机柜功率密度可以达到40kW以上。以英伟达服务器为例，其DGX架构8卡GPU H100服务器的额定功耗为10.2kW，安装4台服务器的风冷机柜功耗为42kW。而在GB200架构中，NVL36机柜的功率密度为72kW，NVL72液冷机柜的功率密度则高达120kW。

图：预计全球机架功率密度将呈现逐年提升态势

此外，超级计算机的能耗也值得关注。全球500台较强大的超级计算机的平均功耗为2.1兆瓦，而其中20台较快的超级计算机的功耗更是超过了11兆瓦。

显然，能源效率已经是AI可持续发展的重要课题，业已成为各大智算公司在平衡性能与环境责任时的战略要务。

功率半导体的应用

电源系统需要更低的系统总成本和紧凑的尺寸，因此必须提高功率密度，尤其是数据中心的平均功率密度正在迅速攀升。从十年前的每个1U机架通常只有5 kW，增加到现在的20 kW、30 kW或更高。

电源供应器(PSU)还必须满足数据中心行业的特定需求。人工智能数据中心的PSU应满足严格的Open Rack V3 (ORV3) 基本规范，要求30%到100%负载下的峰值效率达到97.5%以上，并且10%到30%负载下的较低效率达到94%。

因此，数据中心迫切需要能够高效转换电能的功率半导体，以降低成本并减少排放。同时，更高的电源转换效率也意味着发热量减少，从而降低散热成本。先进的功率半导体技术在数据中心的电力转换和分配中发挥着关键作用，为满足这些要求提供了可能。

目前，功率半导体器件主要是Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）三种半导体，它们各具特色，在电子迁移率方面表现出显著差异，这一关键因素直接影响着电子在材料中的移动速度及设备的切换速度，进而影响开关损耗。同时，开关频率的高低也对外围功率电子器件的尺寸产生重要影响，较高的开关频率有助于减小器件尺寸，提升功率密度和速度。

图：Si、SiC和GaN半导体特性的比较

在服务器电源领域，SiC和GaN技术展现出了其独特的优势。SiC二极管因反向恢复损耗小，已成功取代Si二极管应用于PFC中，显著提高了效率。随着SiC MOSFET技术的不断成熟，其设计可采用较少元件即可实现较高的功率密度。

相比之下，GaN在PFC中的应用同样表现出色。与Si MOSFET相比，GaN具有更小的栅极和输出电容、更低的导通电阻和反向恢复电荷，从而实现了更低的开关和导通损耗。此外，GaN还能实现更高的开关频率，采用较小电感即可构建紧凑的系统体积，并达到更高的功率密度。在轻载时，GaN PFC的效率明显高于SiC PFC。在高压DC/DC部分，GaN芯片同样能提高效率和功率密度。

当工作频率升高时，SiC系统效率的降低速度快于GaN系统。因此，若工作频率高于200KHz或对轻载至半载效率有较高要求时，GaN是首选。在48V到12V的低压DC/DC转换中，GaN则能减少损耗并提高轻载时效率。而在高压场合，SiC则更具优势；

发展和应用趋势

随着数据中心建设的快速推进，对功率半导体的需求量也在不断攀升。据IDC数据显示，2023年全球数据中心市场规模已达2800亿美元，预计2026年将增长至3800亿美元，年复合增长率高达10.4%。

数据中心功率需求的激增，驱动了技术的不断升级。AI服务器的普及使得单机架功率需求从30kW飙升至100kW以上，对电源系统的高效性和稳定性提出了更高要求。为了满足这一需求，电力架构正在从传统的12V直流母线向48V过渡，以减少传输损耗并支持更高功率密度，如Open Rack v3标准的推广就加速了这一转型。同时，数据中心运营商将电源转换效率目标提升至97.5%以上，这推动了功率半导体技术从Si基向宽禁带材料（如SiC、GaN）的升级。

图：2023-2029年电源模块封装市场发展——按封装解决方案细分

功率半导体的智能化趋势也日益明显。通过集成传感器和控制芯片，实现自我诊断和保护，提高了系统的稳定性和智能化水平。例如，数据中心中的功率半导体器件可以集成温度传感器和MEMS振荡器，以提供更精确的定时和控制功能。

此外，功率半导体在数据中心的应用领域也在不断拓展，除了传统的电源管理芯片、电源转换器、逆变器等，还开始应用于边缘计算和分布式能源系统，推动能源互联网和智能城市的建设。

在技术创新方面，SiC MOSFET和GaN HEMT等器件在AI服务器的电源转换模块中得到了广泛应用，大幅提高了电源转换效率，降低了能耗和发热量。随着技术的进步和成本的降低，第三代半导体材料在数据中心中的应用范围将进一步扩大。

同时，为了满足数据中心对高效、稳定电源的需求，电源转换新拓扑的发展也成为重要趋势。例如，采用LLC谐振转换器等拓扑结构的电源单元具有高效率、高功率密度、低纹波电流和EMI等优点，能够显著提高数据中心的能源效率和稳定性。随着数据中心向更高功率密度、更小尺寸和更低成本的方向发展，电源转换新拓扑的研究和应用将更加深入。

国产化前景

近年来，国产功率器件在数据中心领域蓬勃发展，市场份额持续扩大，技术层面不断突破，已有国内企业设计出了基于SiC的50kW HVDC电源系统，显示出国产SiC模块在电力电子应用中正逐步取代进口IGBT模块。

在成本方面，国产功率器件的价格具有竞争力，有助于降低数据中心的建设和运营成本。以SiC为例，目前，国产650V SiC MOSFET的价格已持平甚至低于超结器件，且采用SiC器件的服务器电源系统因高频化而减少了30%的磁性元件和50%的散热成本，因而整体BOM成本保持不变。

在性能方面，国产功率器件不断提升，通过零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，SiC MOSFET可以将整机效率提升至96%~98%（达到钛金能效标准）。相比超结方案，SiC MOSFET的效率提升了2%~3%。未来，SiC MOSFET将成智算中心的电力系统的主流选择，市场份额将进一步拓展。

随着数据中心建设加速，中国正在功率半导体行业进行大量投资，从新的统计数据看，已有超过50家相关公司，覆盖了整个生态系统，行业竞争力和发展潜力正在提升，国产功率器件的前景广阔。

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