AIDC专题之电源管理篇：“算力守护者”走向台前
【导语】随着AIDC（智算中心）产业的蓬勃发展，地方政府与互联网巨头共同推动其建设，科技企业积极布局，核心供应商成为坚实后盾。然而，功耗急剧上升成为AIDC运营商面临的重大挑战。《中国电子报》特此推出AIDC专题，聚焦基础建设、运营调度、应用服务等环节，探讨电源管理的新要求与特点。在AI、云计算的推动下，数据中心供电架构正在升级，高能效、高功率密度的电源管理产品成为市场主流。本文将深入探讨AIDC电源管理的现状、挑战及创新解决方案，展现从“能量转换者”到“算力守护者”的变革之路。
编者按：当前，AIDC（智算中心）产业正在(zài)迎(yíng)来(lái)新(xīn)的(de)发(fā)展(zhǎn)高(gāo)峰(fēng)。AIDC建(jiàn)设(shè)逐(zhú)步(bù)形(xíng)成(chéng)“地(de)方(fāng)政(zhèng)府(fǔ)主导(dǎo)+互(hù)联(lián)网(wǎng)巨(jù)头主导”的两条主线，国内外科技企业不断加大在AIDC领域的布局，一批核心供应商成为推动AIDC建设和运营的坚实后盾，从上下游产业链的硬(yìng)件(jiàn)制造、软件开发到应用服务的多个环节正在协同发力。为此，《中国电子报》推出AIDC专题，从AIDC领域涉及的基础建设、运营调度、应用服务等重点环节，阐述其中的应用案例、所解决的关键问题以及成果。
智算中心（AIDC）作为部署和调用AI大模型的基础设施，正面临功耗急剧上升的挑战。从成本和环境的角度来看，高密度服务器机架及集群导致用电量大幅增加，给AIDC运营商带来了沉重的压力。那么，面向AIDC的电源管理，有何新要求和新特点？相关企业应如何抓住机遇为行业赋能？
智算浪潮下，电力“降本”成刚需
伴随AI、云计算和高性能计算的高速发展，传统数据中心（通算中心）亟需朝着智能化方面升级，面向AI时代的智算中心迎来建设高峰。在这一轮升级与建设浪潮中，如何为数据中心高效供电成为一项复杂且关键的任务，对电源管理策略进行创新的需求呼之欲出。
据了解，数据中心供电正在从交流供电向HVDC、SST直流架构升级，400V/800V高压总线成为主流。直流方案通过减少逆变环节提升传输效率，同时节省占地面积和铜材用量，以适配单机柜20kW-100kW的高功率需求。
“如今，AI数据中心正从‘算力中心’向‘智算中心’转型，面向AIDC领域的电源管理产品市场(chǎng)前(qián)景(jǐng)广(guǎng)阔(kuò)。”安(ān)森(sēn)美(měi)高(gāo)级(jí)现(xiàn)场(chǎng)应用工程师陈熙表示，随着算力需求持续增长，AIDC规模会不断扩大，对电源管理产品在数量和(hé)性(xìng)能(néng)上(shàng)的(de)需(xū)求(qiú)都(dōu)会(huì)稳(wěn)步(bù)上(shàng)升(shēng)。
尤(yóu)其(qí)是(shì)在(zài)追(zhuī)求(qiú)绿(lǜ)色(sè)数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)、降(jiàng)低(dī)能(néng)耗(hào)的(de)大(dà)趋(qū)势(shì)下(xià)，高(gāo)能(néng)效(xiào)、高(gāo)功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)的(de)电(diàn)源(yuán)管(guǎn)理(lǐ)产(chǎn)品(pǐn)将(jiāng)成为市场主流(liú)需(xū)求(qiú)。数(shù)据显示，从2022年到2026年，全球数据中心电力消耗将从460太瓦时（TWh）增长至近1000太瓦时（TWh），几乎翻了一番。这意味着，1%的电源节约能够为全球带来每年超过6.53亿美元的电力成本节约。
如今，数据中心设备的性能和能耗正在同步攀升，功率需求正呈现指数级增长。过去，服务器电源主要围绕CPU运行。如今，算力逐渐向AI云端集中，数据中心开始大量采用对功率和功耗需求更大的GPU等芯片作为负载。德州仪器系统经理游声扬指出，这就要求电源管理器或(huò)电(diàn)池(chí)备(bèi)用(yòng)单元必须具备更高的功率密度与效率，以充分发挥服务器机架上CPU和GPU的性能。此外，供电安全的额外保护至关重要，面对系统卡增多的情况(kuàng)，提(tí)升(shēng)系(xì)统(tǒng)可(kě)靠(kào)性(xìng)也(yě)迫(pò)在(zài)眉(méi)睫(jié)。
以(yǐ)传(chuán)统(tǒng)服(fú)务(wu)器(qì)到(dào)AI服(fú)务(wu)器(qì)的(de)变(biàn)化(huà)为(wèi)例(lì)，据(jù)英(yīng)飞(fēi)凌(líng)相(xiāng)关负(fù)责(zé)人(rén)向(xiàng)记(jì)者(zhě)介(jiè)绍(shào)，在(zài)机(jī)柜(guì)里(lǐ)面(miàn)，GPU、CPU功(gōng)耗(hào)从(cóng)不(bù)足(zú)1KW逐(zhú)渐(jiàn)提(tí)升(shēng)到(dào)了1kW，现在甚至会超过2kW；而整个(gè)机(jī)柜(guì)的(de)功(gōng)耗(hào)，从(cóng)原(yuán)来(lái)不(bù)到(dào)60kW提(tí)升(shēng)至(zhì)现(xiàn)在(zài)的(de)150kW。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)AI服(fú)务(wu)器(qì)对(duì)于(yú)电(diàn)力(lì)供(gōng)应(yīng)有(yǒu)着(zhe)极(jí)高(gāo)要(yào)求(qiú)，需(xū)要(yào)采用(yòng)恰(qià)当(dāng)的(de)方(fāng)式(shì)去(qù)提(tí)高(gāo)效(xiào)率(lǜ)。因(yīn)为(wèi)低效率会导致高损耗，释放出的大量热能会使机器无法正常运转。
面向AI服务器的能效要求，电源架构加速向高功率、高效率和高功率密度的方向演进。纳芯微电子技术市场工程师刘建栋向《中国电子报》记者强调，AI服务器对电源管理产品提出了更严苛的技术要求。比如，整机架功率迈入兆瓦级，PSU单机功率突破10kW；二次电源频率升至MHz，功率密度超5kW/in³；高压直流、固态变压器、垂直供电等新型架构得到采用。
“目前，一台典型的AI服(fú)务(wu)器(qì)机(jī)架(jià)，功(gōng)耗(hào)可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)150kW。但(dàn)不(bù)久(jiǔ)的(de)将(jiāng)来(lái)，其(qí)功(gōng)耗(hào)可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)800 kW，甚(shén)至(zhì)于(yú)1000kW。”英(yīng)飞(fēi)凌(líng)负(fù)责(zé)人(rén)说(shuō)道(dào)。
从(cóng)“能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)者(zhě)”到(dào)“算(suàn)力(lì)守护者”
电源管理芯(xīn)片(piàn)（PMIC）是模拟芯片领域的最大细分市场之一，其类别繁多，集成了多种功能，负责管理和控制电子设备的电源系统。在传统数据中心时期，电源管理芯片更多是充当着电压转换、调节等电源管理基础功能的“能力转换者”，而AIDC阶段，电源管理芯片需要以“算力守护者”的身份承担更多的功能。
当前，面向AIDC的电源管理产品还存在一些需求痛点。比如，在散热方面，尽管提高电源转换效率可减少热量产生，但数据中心散热系统电力消耗占比约40%，芯片在进一(yī)步(bù)降(jiàng)低(dī)热(rè)损(sǔn)耗(hào)、配(pèi)合(hé)散(sàn)热(rè)系(xì)统(tǒng)优(yōu)化(huà)方(fāng)面(miàn)还(hái)有(yǒu)提(tí)升(shēng)空(kōng)间(jiān)。另(lìng)外，在实现高功率密度时，如何在缩小芯片尺寸、提高集成度的同时，保证芯片的可靠性和稳定性，也是亟待解决的(de)问(wèn)题(tí)。
刘(liú)建(jiàn)栋(dòng)坦(tǎn)言(yán)，AIDC建(jiàn)设(shè)对(duì)高(gāo)性(xìng)能(néng)电(diàn)源(yuán)系(xì)统(tǒng)的(de)持(chí)续需求，为厂商(shāng)带来了巨大的增量市场，同时也提出了产品高性能与高可靠性并存的挑战，特别是在驱动IC、同步整流、电流采样等关键环节。以电源系统中的关键芯片——栅极驱动芯片为例，随着AI模型日益复杂、电力成本关注提升，以及绿色数据中心趋势明确，栅极驱动芯片将持续向高效率、高集成度、智能化发展，市场前景广阔。
“AIDC旨在提供高性能和高可靠性，其对电源管理的核心需求始终围绕‘高性能、高可靠性、高效能’展开。这需要打通技术创新、配套服务与产业链协同创新的价值闭环。”陈熙从能效、功率密度、可靠性这三大方(fāng)面(miàn)作(zuò)出(chū)了(le)分(fēn)析(xī)。
首(shǒu)先(xiān)是(shì)能(néng)效(xiào)方(fāng)面(miàn)。提(tí)升(shēng)数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)能(néng)效(xiào)不(bù)仅(jǐn)能(néng)显(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)运(yùn)营(yíng)成(chéng)本，更能减少碳排放。以人工智能数据中心核心子系统PSU（电源供应单元）为例，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%负载下的最低效率达到94%。要实现这一目标，必须配备更高效的电源拓扑结构，并与高效功率器件深度协同(tóng)，从(cóng)而(ér)提(tí)高(gāo)能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率(lǜ)。
其(qí)次(cì)是(shì)功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)。数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)内(nèi)功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)正(zhèng)呈(chéng)现(xiàn)爆发式增长，从十年前的每个1U机架通常只有5 kW，增加到现在的20kW、30kW或更高。而电源存放及散热空间有限，这就要求电源管理芯片在高功率输出的同时，还需要有紧凑的设计。
最后是极致可靠性。AI模型训练成本极高，任何断电都可能导致训练中断、数据丢失，造成巨大损失。因此数据中心架构采用“市电+UPS+备用电源”的架构，这对电源管理芯片的稳定性提出了较高要求——必须确保在负载波动等复杂场景下，始终保持输出稳定。
直击痛点，行业创新“应时而生”
在AIDC加速建设的浪潮下，面向电源管理的新需求，相关芯片厂商积极布局，通过创新技术与产品为数据中心电源系统的高效运行保驾护航。
例如，在智算中心中，AI服务器需要精确控制多个电源模块，推动电源管理芯片向高集成度发展，而智能功率模块（IPM）集成驱动电路和保护功能，满足数据中心对可靠性和可维护性的双重要(yào)求(qiú)。此(cǐ)外(wài)，随(suí)着数据中心的数量和规模不断增长，预计对电子换向（EC）风机的需求也将随之增加。这些冷却风机可为数据中心的所有设备维持理想的运行环境，对于准确、无误的数据传送至关重要。而SiC IPM可确保EC风机以更高能效可靠运行。
如今，越来越多面向智算中心的电源管理方案正在落地。其中，如何实现效率、功率密度和系统成本之间的平衡是智算中心面临的重点问题之一。
为此，安森美为数据中心提供了从电网到GPU的一整套电源解决方案（从3kW到25-30kW HVDC）。据了解，安森美通过整合尖端技术实现协同效应，方案融合了先进的硅基（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率开关技术，同时集成栅极驱动器、多相控制器及48V控制器、智能功率级（SPS）模块、智能熔丝以及负载点（PoL）降压转换器等多种元器件。以提升数据中心系统能效的电压控制元件为例，安森美的EliteSiC 650V MOSFET提供了更佳的开关性能和更低的器件电容。从数据上看，通过使用T10 PowerTrench系列和EliteSiC 650V解决方案，数据中心能够减少约1%的电力损耗。
在智算中心供电架构不断升级的趋势下，栅极驱动IC已成为电源系统中除主控芯片和功率器件之外最为关键的芯片。刘建栋表示，栅极驱动芯片需具备更高的抗干扰能力（如200V/ns CMTI）、更小尺寸封装、更高集成度和可靠性，以及更好地支持宽禁带半导体。
为此，纳芯微推出了多款高性能栅极驱动产(chǎn)品(pǐn)。例(lì)如(rú)，高(gāo)可(kě)靠(kào)双(shuāng)通(tōng)道(dào)隔(gé)离(lí)驱(qū)动(dòng)产(chǎn)品(pǐn)NSI6602V具(jù)备(bèi)增(zēng)强(qiáng)抗(kàng)干(gàn)扰(rǎo)能(néng)力(lì)，适(shì)用(yòng)于(yú)2MHz以(yǐ)内(nèi)的(de)高(gāo)频(pín)电(diàn)源(yuán)系(xì)统(tǒng)；NSI67xx系(xì)列(liè)拥(yōng)有(yǒu)集成(chéng)采样(yàng)通(tōng)道(dào)和(hé)保(bǎo)护(hù)功能，能够适配高集成度设计需求。“未来，我们将围绕高频、高功率密度场景，拓展专用驱动、同步整流、采样、接口等全链路产品，打造系统级解决方案。”刘建栋告诉记者。
确保AI系统不间断供电对于保持运算过程的连续性与无缝运行至关重要。为了确保智算中心的不间断运行，避免断电和数据丢失风险。英飞凌推出了新一代AI数据中心电池备份单元（BBU）解决方案路标。据了解，BBU除了可确保供电不间断，还可以保护敏感的AI硬件免受电压尖峰、浪涌和其他电源异常情况的影响。
“随着技术进步，电源管理产品的智能化、集成化程度会不断提高，能够更好地与数据中心其他系统协同工作，进一步提升数据中心整体运行效率，这类创新型产品将拥有良好的市场前景。”陈熙表示。
