数据中心能耗：AI时代的紧迫挑战
人工智能（AI）正以迅猛之势极速发展，尽管这项技术将为整个社会带来颠覆性的价值，但其能耗问题也日益凸显——尤其是在模型训练阶段的机器学习（ML）过程中，电力需求尤为惊人。
为应对极速增加的算力需求，全球数据中心数量在过去十年间近乎翻倍，目前已达7000个。据预测，到2026年，全球数据中心能耗将达到1000太瓦时（TWh），较2022年的460太瓦时增长超一倍；而仅美国一地，到2030年的能耗就可能达到这一水平。
这种增长并非个例：瑞典的数据中心能耗预计到2030年翻倍，到2040年再翻一倍；英国未来十年内的能耗则可能增长5倍。
从全球范围看，数据中心能耗已占全球总能耗的2%；在美国，这一比例高达3%（与当地数据中心密集度相关）。更值得关注的是，受AI需求驱动，到2030年，数据中心能耗占全球电力消耗预测的比例可能升至8%。
显然，能源供应能力是数据中心行业发展的关键制约因素。为此，运营商正考虑投资可再生能源，甚至小型核设施为AI数据中心供电。但无论能源来自何处，“最大限度提升能源利用效率”已成为行业共识。
能效标准：推动行业升级的核心动力
自2004年起，80 PLUS框架就为电源单元（PSU）能效提供了行业通用基准（尽管为自愿性标准）。过去，电源厂商常以单一能效数值宣传产品，却可能掩盖其在不同负载下的低效表现。80 PLUS标准则针对性解决了这一问题：要求计算机和服务器电源在10%、20%、50%和100%额定负载下，能效均不低于80%，且功率因数不低于0.90。
而全新的“红宝石”等级在此基础上进一步升级：新增“5%负载下能效达到90%”的要求；针对277V和480V内部冗余电源框架，将功率因数（PFC）达标范围扩展至5%~100%全负载区间；5%~20%负载范围内，功率因素需超过0.90；20%~100%负载范围内，功率因素需超过0.96。
随着时间的推移，该框架不断演进，纳入了针对高性能电源的更严苛等级（青铜级、白银级、黄金级、铂金级），并在2011年最终推出了“钛金”（Titanium）标准。该标准不仅将高负载下的能效要求提升至96%，还新增了“仅10%负载下能效需达到90%”的要求，并将功率因数校正（PFC）的要求调整至20%负载段。
277V/480V内部冗余电源的80 PLUS各等级要求来源：CLEAResult
考虑到能效会受到当地电网电压水平的影响，以及电源单元（PSU）采用单相或是多相输入、是否为冗余式设计等因素，因此出台了更多框架来应对这些变量。 经绿色网格联盟（GreenGrid）认可，2025年1月，80PLUS标准的管理机构CLEAResult宣布新增“红宝石”等级。作为14年来首次更新的数据中心能效认证标准，这一等级显著提高了行业门槛。
与“钛金”相比，“红宝石”在所有负载段均提高了能效要求：20%负载下的能效从94%提升至95%，50%负载下从96%提升至96.5%。乍看之下，这些0.5~1个百分点的提升似乎微不足道，但实际上，这意味着能耗损失分别减少了16.7%和12.5%。
结合实际场景来看，随着明年全球数据中心耗电量将达到1000太瓦时，电源能效每提升0.5个百分点，就能节省5太瓦时电力——按美国的电力结构测算，这相当于减少超200万吨二氧化碳排放（来源：美国环保署eGrid2023数据表）。 此外，“红宝石”级新增了“5%负载下能效需达到90%”的要求，并针对277V和480V内部冗余电源框架，将功率因数校正（PFC）的要求扩展至5%~100%的全负载区间；同时，在20%至满负载段，将功率因数提升至0.96。
新材料和新拓扑：实现80 PLUS“红宝石”的关键
要满足80 PLUS“红宝石”这样严苛的标准，电源设计需从拓扑结构、核心器件材料到兼容性规范全方位突破。设计人员正转向氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带（WBG）材料，以实现更高的功率密度和能效——这两种材料是突破传统硅基器件性能瓶颈的核心。
服务器电源还需符合行业兼容性与互操作性标准，例如开放计算项目（OCP）的数据中心模块化硬件系统（DC-MHS）规范，该规范统一了数据中心设备的接口与形态。其中，M-CRPS（通用冗余电源）是OCP定义的1U高内部电源标准，ORv3电源架则采用“每架6个电源”的形态标准。目前，M-CRPS电源虽可支持12V输出，但54V输出因能降低电流损耗而更受青睐；同理，电源架普遍采用48V输出。
在有限空间内实现高效能，LLC转换器已成为数据中心/服务器电源设计的核心方案——尤其当与宽禁带技术结合时，优势更为显著。平面变压器技术进一步强化了LLC转换器的性能：通过将扁平绕组直接嵌入PCB层，可优化散热、降低漏感、提升功率密度。
当与高频氮化镓器件配合时，其低电压-秒积特性可避免磁芯饱和，从而减少整体损耗。
纳微半导体的技术实践
基于上述拓扑与技术路径，纳微半导体研发出一款单输出54V CRPS电源：采用高功率GaNSafe氮化镓功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，输出功率达4.5kW，功率密度高达137W/inch³，达到行业领先水平。传统线绕变压器虽可承受83A电流，但要满足OCP规范的尺寸限制，开关频率需至少达到300kHz（以减小输出电容和磁件体积）——这已超出硅基器件的性能极限，因此硅基方案无法满足OCP合规设计要求。
值得注意的是，氮化镓器件的设计虽与硅基类似，但需特别关注栅极驱动：由于阈值电压更低，电压尖峰或震荡可能影响可靠性。纳微半导体的GaNSafe氮化镓功率芯片集成了控制、驱动与保护功能，从设计层面消除了器件损坏风险。
纳微半导体4.5kW 54V CRPS电源
采用碳化硅与氮化镓器件实现137W/in³的功率密度
在这款参考设计中，无桥交错图腾柱PFC级的损耗远低于传统桥式整流器——其核心是纳微第三代快速碳化硅MOSFET，凭借极低的反向恢复损耗和开关损耗，使PFC级可工作在连续导通模式，实现硅基方案无法企及的低损耗水平。 纳微的GeneSiC功率器件基于“沟槽辅助平面栅”结构，导通电阻（RDS(ON)）比同类产品低20%，且在宽温范围内保持稳定性能。最终，该参考设计在50%负载下实现了97%以上的能效。
红宝石很好，但行业是否做好了准备？
从80PLUS“钛金”到“红宝石”的跨越意义重大：不仅将能效要求扩展至5%轻负载，还拓宽了功率因数的达标范围。如前文所述，50%负载下的0.5个百分点能效提升，实则意味着16.7%的损耗降低。2024年末，纳微半导体推出8.5kW AI数据中心电源参考设计——该设计符合OCP和ORv3规范，基于GaNSafe氮化镓功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，整体能效达98%，为80PLUS“红宝石”级别标准的落地提供了切实可行的技术方案。
（来源：纳微芯球）
