一座AI工廠可集成數(shù)千塊GPU，功耗水平達(dá)到兆瓦級(jí)。

人工智能模型的廣泛應(yīng)用正推動(dòng)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施迎來(lái)重構(gòu)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心正逐步被 “AI工廠” 取代，這類(lèi)設(shè)施專(zhuān)為滿足當(dāng)今機(jī)器學(xué)習(xí)和生成式AI工作負(fù)載對(duì)計(jì)算能力與電力供應(yīng)的需求而設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心依賴(lài)以CPU為核心的架構(gòu)，支撐云計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通用計(jì)算需求。然而，隨著大型語(yǔ)言模型和生成式AI應(yīng)用的問(wèn)世，該架構(gòu)已無(wú)法跟上AI模型對(duì)計(jì)算能力、功率密度及供電效率日益增長(zhǎng)的需求。

相比之下，AI工廠是為機(jī)器學(xué)習(xí)模型的大規(guī)模訓(xùn)練、推理和微調(diào)量身打造的專(zhuān)用設(shè)施。一座AI工廠可集成數(shù)千塊GPU，功耗水平達(dá)到兆瓦級(jí)。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的報(bào)告，全球數(shù)據(jù)中心耗電量預(yù)計(jì)將從2024年的約 415 太瓦時(shí)（TWh）增至 2030 年的約 945 太瓦時(shí)，占全球總耗電量的比重接近 3%。

僅通過(guò)簡(jiǎn)單升級(jí)數(shù)據(jù)中心，已無(wú)法滿足如此龐大的電力需求。因此，必須引入一種兼具高效率與高功率密度的新型架構(gòu)。借鑒汽車(chē)行業(yè)已有的技術(shù)趨勢(shì)，英偉達(dá)在2025年臺(tái)北國(guó)際電腦展（Computex 2025）上推出了800V直流（800-VDC）供電架構(gòu)，旨在高效支撐下一代AI工廠計(jì)算機(jī)架所需的兆瓦級(jí)電力需求。

AI工廠的電力需求特征

AI工廠的電力需求與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在顯著差異。由于部署了大量GPU，AI工廠的架構(gòu)需滿足高功率密度、低延遲和大帶寬三大核心要求。

為最大化計(jì)算吞吐量，需在更小空間內(nèi)集成更多 GPU，并通過(guò)高速銅質(zhì)鏈路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。這不可避免地導(dǎo)致單機(jī)架功耗大幅攀升，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心單機(jī)架功耗僅數(shù)十千瓦，而AI工廠單機(jī)架功耗可達(dá)數(shù)百千瓦。

若采用 12 伏、48 伏、54 伏等傳統(tǒng)低壓供電軌傳輸如此高的電流，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不現(xiàn)實(shí)。如以下公式所示，電阻損耗（Presistive loss）隨電流平方呈指數(shù)增長(zhǎng)（P= V × I = R × I2），這會(huì)導(dǎo)致效率顯著下降，且需要使用橫截面積極大的銅質(zhì)連接線。

為實(shí)現(xiàn)多GPU間的高速互聯(lián)，英偉達(dá)研發(fā)了 NVLink 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互聯(lián)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已迭代至第五代，支持?jǐn)?shù)千塊GPU共享內(nèi)存和計(jì)算資源，協(xié)同完成訓(xùn)練與推理任務(wù)，仿佛運(yùn)行在同一地址空間內(nèi)。

基于 Blackwell 架構(gòu)的單塊英偉達(dá) GPU支持多達(dá)18個(gè)NVLink 連接，速度為 100 GB/s，總帶寬達(dá) 1.8 TB/s，是上一代產(chǎn)品的2倍，較 PCIe Gen5 高出14倍。

800V直流供電架構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)通常包含多級(jí)級(jí)聯(lián)的電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，包括市電中壓交流（MVAC）、低壓交流（LVAC）、不間斷電源（UPS）和配電單元（PDU）。在 IT 機(jī)架內(nèi)部，多個(gè)電源供應(yīng)單元（PSU）先完成AC-to-DC轉(zhuǎn)換，再在計(jì)算托盤(pán)上進(jìn)行最終的DC-to-DC轉(zhuǎn)換（如 54 伏直流轉(zhuǎn) 12 伏直流）。

這種架構(gòu)效率低下，主要源于三方面問(wèn)題：一是每級(jí)轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生損耗，限制整體效率；二是低壓供電軌需傳輸大電流，要求配備大型銅質(zhì)母線和連接器；三是三相交流電源的管理（包括相位平衡和無(wú)功功率補(bǔ)償）設(shè)計(jì)復(fù)雜。

相比之下，采用800V直流供電主干網(wǎng)可最大限度降低 I2R 電阻損耗。將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高壓上限翻倍至800V直流后，系統(tǒng)在輸出相同功率的情況下，電流可減半（P = V × I）。對(duì)于給定導(dǎo)體電阻，電力損耗可降至原來(lái)的四分之一。

采用該方案后，下一代AI工廠將在IT數(shù)據(jù)大廳外設(shè)置集中式一級(jí)交流 - 直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，直接將中壓交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的800V直流母線電壓。隨后，800伏直流可通過(guò)更簡(jiǎn)潔的雙導(dǎo)體直流母線槽（正極和回路）直接分配至計(jì)算機(jī)架，省去了交流開(kāi)關(guān)設(shè)備、低壓交流 PDU 以及機(jī)架內(nèi)效率低下的交流 - 直流電源供應(yīng)單元。

英偉達(dá)的Kyber機(jī)架架構(gòu)專(zhuān)為適配這種簡(jiǎn)化母線設(shè)計(jì)。機(jī)架內(nèi)的電力轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化為單級(jí)高比率直流 - 直流轉(zhuǎn)換（800伏直流轉(zhuǎn)GPU所需的 12 伏直流軌），通常采用高效的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。這種后端轉(zhuǎn)換方式最大限度減少了電阻損耗，為機(jī)架內(nèi)計(jì)算設(shè)備騰出更多空間，并改善了熱管理效果。

該方案還能在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，將單機(jī)架供電能力從當(dāng)前的 100 千瓦擴(kuò)展至 1 兆瓦以上，確保AI工廠的供電基礎(chǔ)設(shè)施能夠滿足未來(lái)GPU能耗增長(zhǎng)的需求。

此外，800V直流架構(gòu)還能緩解同步AI工作負(fù)載的波動(dòng)性。這類(lèi)負(fù)載具有短時(shí)高功率尖峰特征。機(jī)架附近部署的超級(jí)電容器可衰減亞秒級(jí)峰值，而連接至直流母線的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)則能應(yīng)對(duì)秒級(jí)至分鐘級(jí)的功率波動(dòng)，使AI工廠的電力需求與電網(wǎng)穩(wěn)定性要求解耦。

寬禁帶半導(dǎo)體的核心作用

800V直流架構(gòu)的落地，可充分借助碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體的卓越性能與效率優(yōu)勢(shì)。

碳化硅 MOSFET 是高壓前端轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的首選技術(shù)。碳化硅器件的額定電壓通常為 1200 伏及以上，在該電壓等級(jí)下，即便工作在中等開(kāi)關(guān)頻率，也比硅基器件具有更高的擊穿電壓和更低的導(dǎo)通損耗。其成熟度和穩(wěn)定性使其成為數(shù)據(jù)中心主電源輸入環(huán)節(jié)的理想選擇。

而GaN HEMTs適用于 IT 機(jī)架內(nèi)的高密度、高頻直流 - 直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（如800V直流轉(zhuǎn) 54 伏直流或 54 伏直流轉(zhuǎn) 12 伏直流）。氮化鎵的材料特性使其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到兆赫茲級(jí)別。

這種高頻工作特性允許使用更小的無(wú)源組件（電感器和電容器），從而減小轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和體積?；诘壍霓D(zhuǎn)換器已實(shí)現(xiàn)超過(guò) 4.2 kW/l的功率密度，確保必要的電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)能夠適配GPU負(fù)載附近有限的物理空間，最大化計(jì)算能力與供電效率的比值。

市場(chǎng)成熟度與產(chǎn)業(yè)鏈支持

元器件制造商、系統(tǒng)集成商和硅基器件供應(yīng)商等半導(dǎo)體企業(yè)，正與英偉達(dá)積極合作，開(kāi)發(fā)涵蓋碳化硅、氮化鎵及專(zhuān)用硅基元器件的完整產(chǎn)品組合，為800V直流架構(gòu)的轉(zhuǎn)型提供供應(yīng)鏈支持。

例如，專(zhuān)注于先進(jìn)氮化鎵解決方案的EPC公司推出 EPC91123 評(píng)估板 —— 這是一款緊湊型氮化鎵基 6 千瓦轉(zhuǎn)換器，專(zhuān)為新興AI數(shù)據(jù)中心向800V直流配電轉(zhuǎn)型而設(shè)計(jì)。

該轉(zhuǎn)換器采用輸入串聯(lián) - 輸出并聯(lián)（ISOP）配置的 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將800V直流降壓至 12.5 伏直流。其氮化鎵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高功率密度，占地面積不足 5000 平方毫米，高度僅 8 毫米，非常適合高密度封裝的服務(wù)器主板。將轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)靠近負(fù)載部署，可減少電力損耗并提升整體效率。

同時(shí)提供碳化硅和氮化鎵器件的納微半導(dǎo)體也與英偉達(dá)合作，為新興的 Kyber 機(jī)架平臺(tái)開(kāi)發(fā)800V直流架構(gòu)。該系統(tǒng)采用納微半導(dǎo)體的 GaNFast、GaNSafe 和 GeneSiC 技術(shù)，提供適配高負(fù)載AI工作負(fù)載的高效、可擴(kuò)展供電方案。

納微半導(dǎo)體推出了采用雙側(cè)冷卻封裝的 100 伏氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，適用于GPU電源板上的低壓直流 - 直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；同時(shí)推出了全新系列的 650 伏氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和 GaNSafe 功率集成電路，集成了控制、驅(qū)動(dòng)、傳感和內(nèi)置保護(hù)功能。此外，基于該公司專(zhuān)有溝槽輔助平面技術(shù)的 GeneSiC 器件，電壓范圍覆蓋 650 伏至 6500 伏（為行業(yè)最寬范圍之一），已應(yīng)用于多個(gè)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器項(xiàng)目。

AOS也提供適用于AI工廠800V直流架構(gòu)高要求電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的元器件組合。其中，第三代 AOM020V120X3 和頂側(cè)冷卻型 AOGT020V120X2Q 碳化硅器件，均適用于電源側(cè)掛配置或單級(jí)系統(tǒng) —— 可在數(shù)據(jù)中心邊緣直接將 13.8 千伏交流電網(wǎng)輸入轉(zhuǎn)換為800V直流。

在機(jī)架內(nèi)部，AOS 通過(guò)其 650 伏和 100 伏氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管系列支持高密度供電，高效將800V直流母線降壓至GPU所需的低壓軌。

此外，該公司的 80 伏和 100 伏堆疊裸片 MOSFET 與 100 伏氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用統(tǒng)一封裝尺寸。這種通用性使設(shè)計(jì)人員能夠在 LLC 轉(zhuǎn)換器的次級(jí)環(huán)節(jié)以及 54 伏至 12 伏母線架構(gòu)中，靈活平衡成本與效率。AOS 的堆疊裸片封裝技術(shù)進(jìn)一步提升了次級(jí) LLC 插槽的可實(shí)現(xiàn)功率密度。

其他半導(dǎo)體企業(yè)也宣布已做好支持800V直流供電架構(gòu)轉(zhuǎn)型的準(zhǔn)備，包括瑞薩電子、英諾賽科、安森美半導(dǎo)體、德州儀器以及英飛凌科技。

德州儀器近期發(fā)布了一款 30 千瓦AI服務(wù)器供電參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用兩級(jí)架構(gòu)，以三相三電平飛跨電容功率因數(shù)校正（PFC）轉(zhuǎn)換器為核心。根據(jù)系統(tǒng)需求，該單元可配置為輸出統(tǒng)一的800V直流，或拆分為多個(gè)隔離輸出。

英飛凌除了提供 CoolSiC、CoolGaN、CoolMOS 和 OptiMOS 系列功率器件外，還推出了 48 伏智能電子保險(xiǎn)絲（eFuse）系列和熱插拔控制器參考板，專(zhuān)為AI數(shù)據(jù)中心的 400 伏和800V供電架構(gòu)設(shè)計(jì)。這一方案使開(kāi)發(fā)人員能夠設(shè)計(jì)出可靠、穩(wěn)健且可擴(kuò)展的解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流的保護(hù)與監(jiān)控。

該參考設(shè)計(jì)以英飛凌的 XDP 熱插拔控制器為核心。在適用于直流母線的高壓器件中，1200 伏 CoolSiC JFET 在低導(dǎo)通電阻和熱插拔工作穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)了出色平衡。結(jié)合該碳化硅 JFET 技術(shù)，數(shù)字控制器可驅(qū)動(dòng)器件工作在線性模式，確保電源系統(tǒng)在過(guò)壓條件下仍保持安全穩(wěn)定。該參考板還允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)器件的安全工作區(qū)編程設(shè)置浪涌電流曲線，支持 12 千瓦的額定熱設(shè)計(jì)功率（TDP）。

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