【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(tiāo)战(zhàn)及(jí)创(chuàng)新(xīn)解(jiě)决(jué)方(fāng)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）产业正在迎来新的发展高峰。AIDC建设逐步形成“地方政府主导+互联网巨头主导”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件制造、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(liàng)大(dà)幅(fú)增(zēng)加(jiā)，给(gěi)AIDC运(yùn)营(yíng)商(shāng)带(dài)来(lái)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(sù)发(fā)展(zhǎn)，传(chuán)统(tǒng)数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)（通(tōng)算(suàn)中(zhōng)心(xīn)）亟(jí)需(xū)朝(cháo)着(zhe)智(zhì)能(néng)化(huà)方(fāng)面(miàn)升(shēng)级(jí)，面(miàn)向(xiàng)AI时(shí)代(dài)的(de)智(zhì)算(suàn)中(zhōng)心(xīn)迎(yíng)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前景广阔。”安森美高级现场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性能上的需求都会稳步上升。
尤其是在追求绿色数据中心、降低能耗的大趋势下，高能效、高功率密度的电源管理产品将成为市场主流需求。数据显示，从2022年到2026年，全球数据(jù)中(zhōng)心(xīn)电(diàn)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(jié)约(yuē)能(néng)够(gòu)为(wèi)全球(qiú)带(dài)来(lái)每(měi)年(nián)超(chāo)过(guò)6.53亿(yì)美(měi)元(yuán)的(de)电(diàn)力(lì)成(chéng)本(běn)节(jié)约(yuē)。
如(rú)今(jīn)，数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)设(shè)备(bèi)的(de)性(xìng)能(néng)和(hé)能(néng)耗(hào)正(zhèng)在(zài)同(tóng)步(bù)攀(pān)升(shēng)，功(gōng)率(lǜ)需(xū)求(qiú)正(zhèng)呈(chéng)现(xiàn)指(zhǐ)数(shù)级(jí)增(zēng)长(zhǎng)。过(guò)去(qù)，服(fú)务(wu)器(qì)电(diàn)源(yuán)主要(yào)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电池备用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，提升系统可靠性也迫在眉睫。
以传统服务器到AI服务器的变化为例，据英飞凌相关负责人向记者介绍，在机柜里面，GPU、CPU功耗从不足1KW逐渐提升到了1kW，现在甚至会超过2kW；而整个机柜的功耗，从原来不到60kW提升至现在的150kW。这意味着AI服务器对于电力供应有着极高要求，需要采用恰当的方式去提高效率。因为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(dù)超(chāo)5kW/in³；高(gāo)压(yā)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服务器机架，功耗可以达到150kW。但不久的将来，其功耗可以达到800 kW，甚至于1000kW。”英飞凌负责人说道。
从“能量转换者”到“算力守护者”
电源管理芯片（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(ér)AIDC阶(jiē)段(duàn)，电源管理芯片需要以“算力守护者”的身份承担更多(duō)的(de)功(gōng)能(néng)。
当(dāng)前(qián)，面(miàn)向(xiàng)AIDC的(de)电(diàn)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%，芯片在进一步降低热损耗、配合散热系统优化方面还有提升空间。另外，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)。
刘建栋坦言，AIDC建设对高性能电源系统的持续需求，为厂商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(shì)在(zài)驱(qū)动(dòng)IC、同(tóng)步(bù)整(zhěng)流(liú)、电(diàn)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、可靠性这三大方面作出了分析(xī)。
首先是能效方面。提升数据中心能效不仅能显著降低运营成本，更能减少碳排放。以人工智(zhì)能(néng)数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)核(hé)心(xīn)子(zi)系(xì)统(tǒng)PSU（电(diàn)源(yuán)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，从而提高能量转换效率。
其次是功率密度。数据中心内功率密度正呈现爆发式增长，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求。此外，随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(jù)了(le)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品。例如，高可靠双通道隔离驱动产品NSI6602V具备增强抗干扰能力，适用于2MHz以内的高频电源系统；NSI67xx系列拥有集成采样通道和保护功能，能够适配高集成度设计需求。“未来，我们将围绕高频、高功(gōng)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。
