如今，人們每天都在創(chuàng)建、存儲和提供大量的數(shù)據(jù)。社交網(wǎng)絡、在線視頻、物聯(lián)網(wǎng)設備，以及汽車高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）等都是數(shù)據(jù)沖擊的主要貢獻者。例如，數(shù)據(jù)存儲咨詢機構CoughlinAssociates公司預計自動駕駛汽車每秒將產(chǎn)生1千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。盡管距離人們完全依賴自動駕駛汽車還有一段時間，但寶馬、福特和豐田等汽車制造商正在計劃如何管理和支持未來的數(shù)據(jù)中心。

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

以下對使用氮化鎵（GaN）電源轉(zhuǎn)換技術如何為設計高效、緊湊的服務器電源提供最佳選擇進行闡述。而由此產(chǎn)生的節(jié)能優(yōu)勢可以使處理大量數(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）等新興應用蓬勃發(fā)展，以及生成數(shù)TB數(shù)據(jù)的自動駕駛汽車即將應用，這意味著新的服務器部署必須呈指數(shù)級增長。與此同時，美國國家資源保護委員會（NDC）的研究表明，許多企業(yè)和多租戶數(shù)據(jù)中心實際上浪費了大部分能源。因此，數(shù)據(jù)中心的服務器效率必須提高，以便最大限度地利用現(xiàn)有設施，同時減少對新建筑物的需求。

數(shù)據(jù)中心的最大運行成本是服務器運行的電能，這可能高達運營總成本的40％。通常約有5%-10％的電能被浪費掉。此外，到2020年，數(shù)據(jù)中心能耗預計將增加到每年大約1400億千瓦時，這相當每年需要支付130億美元的電費，并產(chǎn)生近1.5億噸的碳排放量。

使用氮化鎵（GaN）而不是硅晶體管進行電源設計的進展使其能源使用預計減少了幾個百分點。除了節(jié)能效益之外，這些技術還可以促進數(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)中心效率時解釋了節(jié)省空間的好處：“如果可以使服務器電源更小，就可以使用更少的空間進行電源轉(zhuǎn)換，并在同一空間內(nèi)部署更多的服務器。如果企業(yè)將更多服務器放在同一空間中，那么可以更好地利用資產(chǎn)。對于數(shù)據(jù)中心管理者來說，可以增加更多的電力容量。通過使用更高效的電源，可以推遲企業(yè)投資建設新的數(shù)據(jù)中心。”

圖1使用氮化鎵（GaN）改善電源系統(tǒng)意味著更多的機架空間

氮化鎵優(yōu)于硅器件

在當今的數(shù)據(jù)中心中，典型的服務器電源效率為96％左右。而提高這個數(shù)字通常涉及優(yōu)化控制方法和拓撲以及新的磁性元件，但是進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�；�于最先進MOSFET的工業(yè)標準半橋PFC效率高達97.5％。相比之下，由于氮化鎵器件的固有特性，可以采用更先進的圖騰柱PFC電路拓撲結(jié)構，并且只需1％的功率損耗即可實現(xiàn)這一關鍵功能。如圖2所示，圖騰柱電路設計還將總組件數(shù)量減少了30％。

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

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

氮化鎵對數(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雜組合。在數(shù)據(jù)中心中，提供給服務器的電源需要多次轉(zhuǎn)換，大約30％的電能會因效率低下而丟失。所有這些電力損耗產(chǎn)生的熱量必須被移除，以保持數(shù)據(jù)中心正常運行。

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)換負載的直流（DC）電源，可以將整體效率從原來的77％提高到84％，如圖3所示。根據(jù)數(shù)據(jù)中心運營商GaN Systems公司的研究，GaN器件可以將每個機架的電力成本降低2300美元以上，整體運營成本節(jié)省超過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)中心運營商將增加14億美元的收入機會，同時通過推遲數(shù)據(jù)中心建設，將會推遲近11億美元的資本支出。

結(jié)論

即將到來的大量數(shù)據(jù)正在推動對日益可擴展高效和靈活的數(shù)據(jù)中心基礎設施的需求。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。通過創(chuàng)建更小、更輕、成本更低、效率更高的電力系統(tǒng)，對這種高性能技術的投資意味著獲得更高的能源效率和空間效率。氮化鎵（GaN）技術將使數(shù)據(jù)中心運營商不僅更好地運營自己的業(yè)務，而且最終在改變能源和數(shù)據(jù)相關的世界中發(fā)揮重要的作用。

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