如今,人们每天都在创建、存储和提供大量的数据。社交网络、在线视频、物联网设备,以及汽车高级驾驶员辅助系统(ADAS)等都是数据冲击的主要贡献者。例如,数据存储咨询机构CoughlinAssociates公司预计自动驾驶汽车每秒将产生1千兆字节的数据。尽管距离人们完全依赖自动驾驶汽车还有一段时间,但宝马、福特和丰田等汽车制造商正在计划如何管理和支持未来的数据中心

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与此同时,根据一些预测,数据中心已经消耗全球2%的电力,而这一数字可能将达到5%。虽然数据中心与过去十年相比更加节能,但必须采取措施提高效率。

以下对使用氮化镓(GaN)电源转换技术如何为设计高效、紧凑的服务器电源提供最佳选择进行阐述。而由此产生的节能优势可以使处理大量数据的现有数据中心节省更多的成本和电力,可以避免构建新数据中心。

提高数据中心的效率

物联网(IoT)及其工业物联网(IIoT)等新兴应用蓬勃发展,以及生成数TB数据的自动驾驶汽车即将应用,这意味着新的服务器部署必须呈指数级增长。与此同时,美国国家资源保护委员会(NDC)的研究表明,许多企业和多租户数据中心实际上浪费了大部分能源。因此,数据中心的服务器效率必须提高,以便最大限度地利用现有设施,同时减少对新建筑物的需求。

数据中心的最大运行成本是服务器运行的电能,这可能高达运营总成本的40%。通常约有5%-10%的电能被浪费掉。此外,到2020年,数据中心能耗预计将增加到每年大约1400亿千瓦时,这相当每年需要支付130亿美元的电费,并产生近1.5亿吨的碳排放量。

使用氮化镓(GaN)而不是硅晶体管进行电源设计的进展使其能源使用预计减少了几个百分点。除了节能效益之外,这些技术还可以促进数据中心采用数量更少或体积更小的电源,从而减少对数据中心空间和电力的需求,如图1所示。GaN Systems公司首席执行官Jim Witham在讨论数据中心效率时解释了节省空间的好处:“如果可以使服务器电源更小,就可以使用更少的空间进行电源转换,并在同一空间内部署更多的服务器。如果企业将更多服务器放在同一空间中,那么可以更好地利用资产。对于数据中心管理者来说,可以增加更多的电力容量。通过使用更高效的电源,可以推迟企业投资建设新的数据中心。”

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图1使用氮化镓(GaN)改善电源系统意味着更多的机架空间

氮化镓优于硅器件

在当今的数据中心中,典型的服务器电源效率为96%左右。而提高这个数字通常涉及优化控制方法和拓扑以及新的磁性元件,但是进一步提高效率的最接近的解决方案是从传统的硅器件转变为氮化镓。

例如,采用硅器件MOSFET技术的典型电源具有94%-96%的效率。功率损耗的一半发生在电源的功率因数校正(PFC)阶段。另一半在供电的电源转换部分损耗。基于最先进MOSFET的工业标准半桥PFC效率高达97.5%。相比之下,由于氮化镓器件的固有特性,可以采用更先进的图腾柱PFC电路拓扑结构,并且只需1%的功率损耗即可实现这一关键功能。如图2所示,图腾柱电路设计还将总组件数量减少了30%。

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图2. 氮化镓(GaN)图腾柱电路技术与采用硅器件的MOSFET相比具有相当大的效率优势

电源制造商采用氮化镓(GaN)器件的回报是更快的开关元件。由于电源转换系统的大部分低效率是“开关损耗”的结果,因此氮化镓(GaN)器件比较速度慢的MOSFET开关元件提供了效率优势。此外,更快的开关速度大大减小了磁性和电容电路元件的尺寸。

氮化镓对数据中心的影响

数据中心的能耗是功率损耗和冷却的复杂组合。在数据中心中,提供给服务器的电源需要多次转换,大约30%的电能会因效率低下而丢失。所有这些电力损耗产生的热量必须被移除,以保持数据中心正常运行。

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图3.氮化镓(GaN)可以将整体数据中心效率提高到84%

GaN器件用于从交流电(AC)到直流电(DC)的电源转换,然后用于转换负载的直流(DC)电源,可以将整体效率从原来的77%提高到84%,如图3所示。根据数据中心运营商GaN Systems公司的研究,GaN器件可以将每个机架的电力成本降低2300美元以上,整体运营成本节省超过2.4亿美元。数据中心的功率密度将增加25%以上,全球的数据中心运营商将增加14亿美元的收入机会,同时通过推迟数据中心建设,将会推迟近11亿美元的资本支出。

结论

即将到来的大量数据正在推动对日益可扩展高效和灵活的数据中心基础设施的需求。采用氮化镓(GaN)器件的电源系统可提供更高的电源转换效率。通过创建更小、更轻、成本更低、效率更高的电力系统,对这种高性能技术的投资意味着获得更高的能源效率和空间效率。氮化镓(GaN)技术将使数据中心运营商不仅更好地运营自己的业务,而且最终在改变能源和数据相关的世界中发挥重要的作用。

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