數據中心能耗：AI時代的緊迫挑戰
人工智能（AI）正以迅猛之勢極速發展，盡管這項技術將為整個社會帶來顛覆性的價值，但其能耗問題也日益凸顯——尤其是在模型訓練階段的機器學習（ML）過程中，電力需求尤為驚人。
為應對極速增加的算力需求，全球數據中心數量在過去十年間近乎翻倍，目前已達7000個。據預測，到2026年，全球數據中心能耗將達到1000太瓦時（TWh），較2022年的460太瓦時增長超一倍；而僅美國一地，到2030年的能耗就可能達到這一水平。
這種增長并非個例：瑞典的數據中心能耗預計到2030年翻倍，到2040年再翻一倍；英國未來十年內的能耗則可能增長5倍。
從全球范圍看，數據中心能耗已占全球總能耗的2%；在美國，這一比例高達3%（與當地數據中心密集度相關）。更值得關注的是，受AI需求驅動，到2030年，數據中心能耗占全球電力消耗預測的比例可能升至8%。
顯然，能源供應能力是數據中心行業發展的關鍵制約因素。為此，運營商正考慮投資可再生能源，甚至小型核設施為AI數據中心供電。但無論能源來自何處，“最大限度提升能源利用效率”已成為行業共識。
能效標準：推動行業升級的核心動力
自2004年起，80 PLUS框架就為電源單元（PSU）能效提供了行業通用基準（盡管為自愿性標準）。過去，電源廠商常以單一能效數值宣傳產品，卻可能掩蓋其在不同負載下的低效表現。80 PLUS標準則針對性解決了這一問題：要求計算機和服務器電源在10%、20%、50%和100%額定負載下，能效均不低于80%，且功率因數不低于0.90。
而全新的“紅寶石”等級在此基礎上進一步升級：新增“5%負載下能效達到90%”的要求；針對277V和480V內部冗余電源框架，將功率因數（PFC）達標范圍擴展至5%~100%全負載區間；5%~20%負載范圍內，功率因素需超過0.90；20%~100%負載范圍內，功率因素需超過0.96。
隨著時間的推移，該框架不斷演進，納入了針對高性能電源的更嚴苛等級（青銅級、白銀級、黃金級、鉑金級），并在2011年最終推出了“鈦金”（Titanium）標準。該標準不僅將高負載下的能效要求提升至96%，還新增了“僅10%負載下能效需達到90%”的要求，并將功率因數校正（PFC）的要求調整至20%負載段。
277V/480V內部冗余電源的80 PLUS各等級要求來源：CLEAResult
考慮到能效會受到當地電網電壓水平的影響，以及電源單元（PSU）采用單相或是多相輸入、是否為冗余式設計等因素，因此出臺了更多框架來應對這些變量。 經綠色網格聯盟（GreenGrid）認可，2025年1月，80PLUS標準的管理機構CLEAResult宣布新增“紅寶石”等級。作為14年來首次更新的數據中心能效認證標準，這一等級顯著提高了行業門檻。
與“鈦金”相比，“紅寶石”在所有負載段均提高了能效要求：20%負載下的能效從94%提升至95%，50%負載下從96%提升至96.5%。乍看之下，這些0.5~1個百分點的提升似乎微不足道，但實際上，這意味著能耗損失分別減少了16.7%和12.5%。
結合實際場景來看，隨著明年全球數據中心耗電量將達到1000太瓦時，電源能效每提升0.5個百分點，就能節省5太瓦時電力——按美國的電力結構測算，這相當于減少超200萬噸二氧化碳排放（來源：美國環保署eGrid2023數據表）。 此外，“紅寶石”級新增了“5%負載下能效需達到90%”的要求，并針對277V和480V內部冗余電源框架，將功率因數校正（PFC）的要求擴展至5%~100%的全負載區間；同時，在20%至滿負載段，將功率因數提升至0.96。
新材料和新拓撲：實現80 PLUS“紅寶石”的關鍵
要滿足80 PLUS“紅寶石”這樣嚴苛的標準，電源設計需從拓撲結構、核心器件材料到兼容性規范全方位突破。設計人員正轉向氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBG）材料，以實現更高的功率密度和能效——這兩種材料是突破傳統硅基器件性能瓶頸的核心。
服務器電源還需符合行業兼容性與互操作性標準，例如開放計算項目（OCP）的數據中心模塊化硬件系統（DC-MHS）規范，該規范統一了數據中心設備的接口與形態。其中，M-CRPS（通用冗余電源）是OCP定義的1U高內部電源標準，ORv3電源架則采用“每架6個電源”的形態標準。目前，M-CRPS電源雖可支持12V輸出，但54V輸出因能降低電流損耗而更受青睞；同理，電源架普遍采用48V輸出。
在有限空間內實現高效能，LLC轉換器已成為數據中心/服務器電源設計的核心方案——尤其當與寬禁帶技術結合時，優勢更為顯著。平面變壓器技術進一步強化了LLC轉換器的性能：通過將扁平繞組直接嵌入PCB層，可優化散熱、降低漏感、提升功率密度。
當與高頻氮化鎵器件配合時，其低電壓-秒積特性可避免磁芯飽和，從而減少整體損耗。
納微半導體的技術實踐
基于上述拓撲與技術路徑，納微半導體研發出一款單輸出54V CRPS電源：采用高功率GaNSafe氮化鎵功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，輸出功率達4.5kW，功率密度高達137W/inch³，達到行業領先水平。傳統線繞變壓器雖可承受83A電流，但要滿足OCP規范的尺寸限制，開關頻率需至少達到300kHz（以減小輸出電容和磁件體積）——這已超出硅基器件的性能極限，因此硅基方案無法滿足OCP合規設計要求。
值得注意的是，氮化鎵器件的設計雖與硅基類似，但需特別關注柵極驅動：由于閾值電壓更低，電壓尖峰或震蕩可能影響可靠性。納微半導體的GaNSafe氮化鎵功率芯片集成了控制、驅動與保護功能，從設計層面消除了器件損壞風險。
納微半導體4.5kW 54V CRPS電源
采用碳化硅與氮化鎵器件實現137W/in³的功率密度
在這款參考設計中，無橋交錯圖騰柱PFC級的損耗遠低于傳統橋式整流器——其核心是納微第三代快速碳化硅MOSFET，憑借極低的反向恢復損耗和開關損耗，使PFC級可工作在連續導通模式，實現硅基方案無法企及的低損耗水平。 納微的GeneSiC功率器件基于“溝槽輔助平面柵”結構，導通電阻（RDS(ON)）比同類產品低20%，且在寬溫范圍內保持穩定性能。最終，該參考設計在50%負載下實現了97%以上的能效。
紅寶石很好，但行業是否做好了準備？
從80PLUS“鈦金”到“紅寶石”的跨越意義重大：不僅將能效要求擴展至5%輕負載，還拓寬了功率因數的達標范圍。如前文所述，50%負載下的0.5個百分點能效提升，實則意味著16.7%的損耗降低。2024年末，納微半導體推出8.5kW AI數據中心電源參考設計——該設計符合OCP和ORv3規范，基于GaNSafe氮化鎵功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，整體能效達98%，為80PLUS“紅寶石”級別標準的落地提供了切實可行的技術方案。
（來源：納微芯球）
