世平安森美AI Data Center方案介紹
人工智慧（AI）資料中心是專為支援高強度人工智慧工作負載而設計的專用設施。此類資料中心部署大量電腦伺服器、網路設備、儲存系統與 IT 元件，並依賴高效率電源供應器（PSU）提供各系統所需的穩定電力。AI 伺服器已成為現代資料中心不可或缺的核心，持續推動運算效能、能源效率與散熱技術的演進，並支援從自然語言處理到自動化與自主系統等多樣化 AI 應用。
隨著生成式人工智慧（GenAI）與大型語言模型（LLM）的快速發展，如 ChatGPT、Llama、Gemini 及 DeepSeek 等模型的廣泛應用，對高效能運算資源的需求大幅攀升，也同步推升資料中心的整體用電需求。根據國際能源總署（IEA）估計，資料中心於 2024 年的用電量約為 415 TW/h），約占全球用電量的 1.5%，預期至 2030 年將成長至約 945 TW/h，占比提升至約 3%，凸顯電源效率與永續設計的重要性。
為因應這一趨勢，半導體產業正快速導入寬能隙（WBG）材料，如碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN），以提升功率密度與轉換效率。更高的效率不僅可降低能耗，也能有效減少熱損失，進一步降低冷卻系統需求與整體系統成本。
資料中心是一個集中式設施，容納大量的電腦伺服器、網路設備、儲存系統和IT元件。這些組件需要專用的電源單元 (PSU) 來提供各自所需的輸入電壓。資料中心是現代運算的支柱，旨在儲存、處理和管理海量資料和訊息，以支援各種應用，例如網站、行動應用程式、雲端運算、人工智慧 (AI) 和其他數位服務。
資料中心主要分為三種：企業級資料中心、高效能運算 (HPC) 資料中心和超大規模資料中心。超大規模資料中心通常用於人工智慧工作負載，因為它們提供極高的可擴展性和先進的運算能力來處理大規模任務。人工智慧資料中心旨在提供高可靠性和高效能，確保系統高效運作。透過最大限度地提高系統效率，這些資料中心可以減少故障和停機時間，從而為企業帶來更高的投資報酬率 (ROI)。這些技術的結合使得人工智慧資料中心對於維持無縫營運和實現最佳財務回報至關重要。
目前，資料中心電源供應器（PSU）的功率範圍多落在 3 kW 至 6 kW 之間，並可透過模組化堆疊方式提升整體輸出能力。然而，隨著人工智慧伺服器規格持續提升，資料中心對單一機架的功率需求亦大幅增加，現階段已普遍達到約 15 kW，未來更可能提升至 50 至 100 kW 的等級。為在維持高效率的同時進一步提高功率密度與輸出容量，PSU 的輸出電壓正由傳統的 12V 直流架構，逐步轉向 48V 直流架構。
同時，資料中心電力分配架構亦正從 48V，進一步演進至 ±400V 或 800V 的高壓直流（HVDC）系統，象徵電源設計朝向更高效率與更高功率密度邁出關鍵一步。此一轉變主要源於資料中心需最大化運算機架內有限的有效載荷空間，以提升整體運算能力並降低功率損耗。相較於傳統 48V 系統，HVDC 架構具備多項優勢，包括減少中間電力轉換級數、簡化配線架構，以及有效降低總諧波失真。
此外，800V 高壓直流系統可支援更長的電力傳輸距離與更小的電纜線徑，進一步降低佈建與安裝成本，同時提升整體系統效能。隨著資料中心持續擴張，且對更高功率容量的需求不斷增加，預期 800V HVDC架構將逐漸成為主流，支撐產業朝向更高效率、更高功率密度與更永續的電力解決方案發展。
(AI資料中心主架構)
人工智慧資料中心的主要架構旨在確保高效能、高可靠性和高效率。基礎設施的核心是機架，機架上安裝負責處理運算任務和資料的伺服器。這些伺服器由電源單元 (PSU) 提供支持，電源單元將電能轉換為所需的電壓和電流。為了確保不間斷供電，資料中心整合了不間斷電源系統 (UPS)，在發生電力故障時提供備用電源。此外，還配備了電池備用單元，用於在短期斷電期間維持供電，防止資料遺失和硬體損壞。資料中心還包括用於管理和儲存海量資料的儲存系統以及用於調節溫度的冷卻系統。
關鍵子系統
固態變壓器 (SST)：SST 是一種先進的設備，它將中壓 (MV) 系統轉換為低電壓 (LV) 系統，透過將公用電網的中壓 (MV) 電壓降至建築物入口處的 400/480VAC 電壓來實現轉換。與傳統變壓器相比，SST 效率更高，功率密度更高，有助於資料中心降低電源轉換損耗。它們還可以直接將中壓直流 (MVDC) 轉換為所需的低壓 (LV) 電壓，確保為伺服器和其他關鍵基礎設施提供安全且高效的電力。不間斷電源 (UPS)：資料中心通常使用雙向 UPS，在斷電時提供備用、清潔、穩定的電源。它確保關鍵系統在斷電期間保持運行，防止資料遺失和硬體損壞。
電源分配單元 (PDU)：PDU 是一種高可靠性的多插座電源條，旨在為機架中的設備提供、管理和監控經過調節的電源。它確保將電力有效率、安全地分配給所有組件。
電源供應器 (PSU)：電源供應器是將交流電 (AC) 或直流 (DC) 輸入電源轉換為一個或多個直流輸出電源的設備，用於為伺服器或資料儲存產品供電。它確保所有組件都能獲得有效運作所需的電力。
電池備用單元 (BBU)：電池備用單元可保護伺服器、網路伺服器和儲存伺服器免受停電和電壓波動的影響。如果上游 UPS 被移除，則必須使用電池備用單元。
運算伺服器：這些伺服器為用戶端裝置（例如桌上型電腦、網際網路協定電話和智慧型手機）提供運算能力並管理網路資源。它們對於處理和管理資料及應用程式至關重要。
儲存伺服器：這些伺服器儲存、檢索、分發、備份或歸檔電腦資料和應用程式。它們確保資料在需要時可用且可存取。
網路伺服器：這些伺服器在資料中心內建立網路連接，從而實現資料的接收、處理和路由，確保資料能夠有效率地從一個目的地傳輸到另一個目的地。
伺服器機架結構:
人工智慧資料中心採用先進的伺服器機架，用於支援高密度運算、增強型冷卻解決方案和高效的電源管理。它們通常採用高密度配置（電源單元應達到或超過 80 Plus 鈦金認證標準），每個機架的潛在支援功率可達 100 kW 或更高。機架總數從小型設施的數十個到大型設施的數百個不等。 Open Rack V3 (ORV3) 是由開放運算專案 (OCP) 開發的 Open Rack 標準的最新版本。它旨在透過為 IT 設備提供一致且高效的介面來優化資料中心基礎架構。 在這些基礎設施中，交流電首先通過機架設備上的電源單元 (PSU)，並在那裡轉換為 48V 直流電。標準機架有六排電源機架，頂部三排，底部三排。每個電源機架高 1U，包含六個電源單元，每個機架共 36 個電源單元。例如，每個電源單元 (PSU) 提供 5.5kW 的功率，總輸出功率為 198kW。機架的總功耗為 120kW，PSU 通常配置為以最大負載的 50-60% 運作。 電池供電單元 (BBU) 是現代資料中心的關鍵元件，為機架內的關鍵伺服器提供本地備用電源。與傳統的交流 UPS 系統不同，配備鋰離子電池的 BBU 具有多項優勢，包括長達 10 年的使用壽命、佔用空間減少 50-70% 的緊湊設計以及更快的充電速度。 BBU 的設計功率與機架相同，可維持負載 5-15 分鐘。這種靠近負載的轉換方式提高了整體效率，並成為未來過電流保護 (OCP) 要求的一部分。在高密度配置中，BBU 通常在機架內呈現垂直堆疊且多排的方式。
安森美解決方案概述:
Reference Design - 12 kWAI CloudPSU
安森美半導體憑藉其一流的矽 (Si) 和碳化矽 (SiC) 技術，引領人工智慧的未來發展，提供從電網到 GPU 的全方位資料中心電源解決方案（功率範圍從 3kW 到 25-30kW 高壓直流）。我們的技術旨在滿足人工智慧驅動型運作不斷增長的電力需求，確保更高的效率和更低的整體擁有成本 (TCO)。我們專注於優化能源利用和提高功率密度，我們的解決方案不僅結構緊湊，而且支援可持續的生態系統。 安森美半導體的 12kW 電源參考設計憑藉其卓越的功率輸出、先進的技術和高效率在市場上脫穎而出，是現代資料中心的理想解決方案。其 12kW 的功率輸出比競爭對手高出 50%，有效滿足人工智慧和雲端運算環境的嚴苛要求。
12 kW AI Cloud PSU Specifications:
Input Voltage: VIN = 180 - 305 VAC
Input Frequency: FIN = 47 - 63 Hz
Maximum Input Current: IIN = 68 A
Output Voltage: VOUT = 50 V
Peak Efficiency: 98 % (@ 277 VIN & 50 % load)
THD: ≤5% @ 30% to 100% output power
Hold-up Time: 20 ms @ full load
Form Factor: 80 x 42 x 750 mm, 75 W/in³
Silicon Carbide (SiC)
安森美半導體 (Onsemi) 的 650V 和 1200V M3S EliteSiC MOSFET 具有卓越的開關性能和更低的裝置電容，從而實現更高的效率。這項尖端技術在 ORV3 電源規格下實現了高達 97.5% 的峰值效率。憑藉一流的品質因數 (FoM)，它在高開關頻率應用中表現出色，無論是硬開關還是軟開關操作，在 PFC 級都能達到高達 99.6% 的效率。此外，安森美半導體的高效能 SiC 共源共柵 JFET 具有高開關速度、低導通電阻以及與現有驅動器的兼容性，使其成為超大規模資料中心的理想解決方案，可降低系統成本並實現卓越的效率。
主要特點：
TOLL package with Kelvin source configuration
•Excellent FOM [ = RDS(on) * Eoss ]
•Ultra low gate charge (QG(tot) = 69 nC)
•High-speed switching with low capacitance (Coss = 152 pF)
•15V to 18V gate drive
•Typ. RDS(on) = 23 mΩ at Vgs = 18V
•100% avalanche tested
•Target applications: Data centers, Server power, Cloud system, Telecom
SiC Combo JFETs and SiC JFETs
安森美半導體 (Onsemi) 的 SiC Combo JFET 和 SiC JFET（工作電壓範圍從 650V 到 1700V）為 AI 資料中心電源管理帶來了革命性的變革，為 400/800VDC 高壓匯流排架構中的熱插拔/熔斷器和 OR 循環應用器和 OR 環拔總線架構中的熱插拔/熔斷器和 OR 循環應用器和 OR 環提供了強大的電子環拔線。這些裝置具有高開關頻率，並實現了業界最低的單位面積導通電阻 (RDS(on))。 SiC Combo JFET 將 SiC JFET 與 Si MOSFET 整合在單一封裝中，既實現了常關開關功能，又充分利用了常開 SiC JFET 的優勢。 在高壓熱插拔/電子熔斷器和 OR 環應用中，SiC Combo JFET 和 SiC JFET 可防止突波電流，保護敏感元件，並透過簡化電路設計來減少昂貴的元件。 它們卓越的散熱性能和緊湊的設計使其成為管理高電流負載的理想選擇，確保在關鍵資料中心環境中高效可靠地運作。
主要特點：
•Separating access to SiC JFET and MOSFET gates enables more control of switching dv/dt
•Ultra-low RDS(on) for high-power/high-current applications
•Operable as cascode JFET or direct drive JFET
•Simplifies paralleling of multiple JFETs
•Short-circuit withstand (SCWT) capability
•Target applications: HV Hot-swap /e-Fuse, Solid-state circuit breakers & relays, Battery disconnect switches
T10 LV-MV Si MOSFET
安森美半導體 (Onsemi) 的全新 T10 PowerTrench MOSFET 技術（80V、40V、25V）擁有業界領先的導通電阻 (RDS(on))、更高的功率密度和更低的開關損耗。 NTMFSCH1D4N08X（80V，1.4 mΩ，5 x 6 mm 雙散熱封裝）和 NTTFSSCH1D3N04XL（40V，1.3 mΩ，3.3 x 3.3 mm 源極向下雙散熱封裝）採用先進的雙散熱封裝技術，具有卓越的散熱性能。 T10 MOSFET 的性能指標 (FOM) 比競爭對手的產品高出至少 20%，在 IBC 模組中可實現 98% 的峰值效率和 5kW/in³ 的功率密度。
主要特點：
•Advanced source-down center gate dual-cooling package technology (3.3 x 3.3 mm) with excellent thermal conduction
•Low RDS(on) to minimize conduction loss
•Low QRR with soft recovery to minimize ERR loss and voltage spike
•Low Qg and capacitance to minimize driving and switching losses
•Pb−Free, Halogen Free / BFR Free & RoHS compliant
•Target applications: Datacenter/IBC, Industrial PSU, Cloud System
GaN Driver, iGaN & Vertical GaN
安森美半導體 (onsemi) 提供專為人工智慧資料中心電源量身定制的先進氮化鎵 (GaN) 解決方案，可實現更高的功率密度並降低熱損耗，從而支援可擴展的運算架構。 安森美半導體針對離線半橋 GaN 應用進行了最佳化，提供精確、短的傳播延遲和從 -3.5 V 到 +650 V 的強大電平轉換能力。其先進的共模雜訊消除技術可確保高達 200 V/ns 的穩定運行，從而實現可靠的高速開關。 與矽 MOSFET 相比，安森美半導體的整合驅動氮化鎵 (iGaN) 系列裝置具有更高的效率和更小的尺寸，這得益於其更快的開關速度、更低的開關損耗、更低的導通電阻、更高的工作頻率和更高的功率密度。這些特性使得設計物理尺寸較小的被動元件成為可能，從而縮小了整個系統的尺寸。 基於新型 GaN-on-GaN 技術，安森美半導體的垂直氮化鎵 (vGaN) 裝置為人工智慧資料中心電源的功率密度、效率和耐用性樹立了新的標竿。
主要特點：
•650 V, high side and low side gate driver
•Fast propagation delay of 50 ns max
•Matched propagation delay of 5 ns max
•200 V/ns dV/dt Rating for all SW and PGND Referenced Circuitry
•Separate source and sink output pin
•Regulated 5.2 V gate driver with independent UVLO for high side and low side output stages
•QFN 4mm x 4mm 15 pin packaging
•Target applications: AC to DC Converters,Industrial Inverters and Motor Drives
PoL Buck Regulator & Smart Fuse
安森美半導體的降壓穩壓器和智慧熔斷器透過優化功耗和提升可靠性，為人工智慧資料中心帶來顯著價值。降壓穩壓器具有一流的瞬態性能、卓越的散熱效率，並可透過可自訂選項靈活應用於對噪音敏感的應用。智慧熔斷器產品透過減少外部元件、可程式過電流保護、高峰值輸出電流能力以及遙測和安全功能，提供全面的保護並節省成本。這些解決方案共同確保在嚴苛的人工智慧資料中心環境中實現無縫運行，使其成為高效能應用的理想選擇。
主要特點：
•VIN = 3 V ~ 18V ; IOUT = 40A
•VOUT = 0.25 ~ 5.5V with remote output voltage sense
•Stackable up to 160A with 4pcs in parallel
•Fixed frequency current mode controller (Programmable FSW)
•PMBUS interface (only for NCP3286)
•Programmable output current limit, VIN UVLO
•PT11 FET Technology
•Target applications: Server, Computing, Telecom, Networking
50A Hot Swap Smart Fuse NCP81428
NCP81428 是一款支援 PMBus® 協議的 12V、50A 可重設直插式保險絲，用於提供全面的過流、過壓、短路和浪湧電流保護。 NCP81428 整合了一個 0.65μm NMOS FET、與一個具有 PMBUS™ 的高效能熱插拔控制器和非揮發性記憶體組 (NVM)，所有元件均封裝在 LQFN32 封裝中。 NCP81428 可配置為單相解決方案，也可配置為多相主設備或從設備，以支援更高電流的應用。
主要特點：
•Max 80A with programmablelevels and timers, 150A short circuit protection
•Telemetry via PMBus 1.4 compliant
•Co-packaged EEPROM (NVM) die for configuration
•TWI (Two Wire Interface) via FAULT pins
•Programmable VIN OV/UV warning and OVfault
•Target applications: Server and Computing, Data Storage, Base Station
結論:
綜合本系統方案指南可知，生成式 AI 與大型語言模型的快速發展，正大幅推升 AI 資料中心的運算密度與功率需求。機櫃功率已由目前的數十 kW 持續邁向數百 kW，未來甚至達到 1 MW 也逐漸成為明確趨勢。在此背景下，資料中心電源架構正從傳統的 12V 解決方案轉向 48V，並進一步演進至 ±400V／800V 的高壓直流（HVDC）架構，以全面提升系統效率、功率密度與整體可擴展性。因此，高效率的 AC‑DC、IBC、多相 DC‑DC 與 PoL 電源轉換技術，已成為支撐 AI 伺服器穩定運作的關鍵核心。
onsemi 憑藉其從電網到核心（grid‑to‑core）的完整產品佈局，提供涵蓋矽（Si）、碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）的一站式電源解決方案。包括 EliteSiC MOSFET、SiC Cascode／Combo JFET、PowerTrench® T10 MOSFET，以及 iGaN 與 vGaN 等先進技術，皆在效率、散熱性能與功率密度方面展現領先優勢，有效協助客戶降低能耗並優化整體持有成本（TCO）。同時，onsemi 的多相控制器、智慧功率級（SPS）、智慧保險絲與 PMBus 電源管理方案，亦能進一步強化系統可靠度與即時監控能力。對於致力於打造高效、永續且高度可擴展 AI 資料中心的業者而言，onsemi 無疑是最值得信賴的關鍵技術夥伴。
參考文獻: https://www.onsemi.com/download/system-solution-guide/pdf/ssg8226-d.pdf