AI時代的數(shù)據(jù)中心成吃電巨獸，氮化鎵會是能效救星嗎？
2023-10-17 17:47
數(shù)位經(jīng)濟正經(jīng)歷一場由兩大趨勢驅動的巨大變革，即時數(shù)據(jù)分析的龐大需求為其一，另一則是生成式人工智能（Generative AI）的快速發(fā)展。一場激烈的生成式AI競賽正如火如荼的進行中，科技巨頭如亞馬遜（Amazon)、谷歌（Google)、微軟（Microsoft）皆大舉投資生成式AI的研發(fā)創(chuàng)新。根據(jù)彭博智庫（Bloomberg Intelligence）預測，生成式AI市場將以42%的年增率成長，從2022年400億美元市值，于10年內(nèi)擴大至1.3兆美元。
在AI的蓬勃發(fā)展下，數(shù)據(jù)中心對電力與運算的需求呈正比成長，激增的用電量不僅對營運效率造成壓力，更成為數(shù)據(jù)中心達成凈零排放目標的阻礙。當前數(shù)據(jù)中心所采用的電力轉換及分配技術，已難以滿足來自云計算及機器學習的運算需求，面對更龐大能源的生成式AI應用，數(shù)據(jù)中心運營商正急迫地尋找創(chuàng)新電力解決方案。
氮化鎵（GaN）功率半導體應運而生，成為數(shù)據(jù)中心優(yōu)化能源效率的關鍵技術之一。接下來的文章將進一步探討生成式AI對數(shù)據(jù)中心帶來的挑戰(zhàn)、氮化鎵功率器件的優(yōu)勢，最后分析業(yè)界普遍使用的“電源使用效率（Power Usage Effectiveness, PUE)”指標中所存在的漏洞，這些洞察皆將指向一個結論，氮化鎵功率元件在數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中的應用將加速落地。
生成式AI對數(shù)據(jù)中心的沖擊將加劇
面對數(shù)據(jù)量爆炸，依傳統(tǒng)工作負載量所規(guī)劃的數(shù)據(jù)中心基礎架構正面臨巨大壓力。全球數(shù)據(jù)量每兩年便翻漲一倍，處理、儲存這些龐大數(shù)據(jù)的服務器，需要大量的能源及水資源來維持運作。根據(jù)麥肯錫的預測，在未來五年內(nèi)，光是位于美國地區(qū)的數(shù)據(jù)中心便將新增39GW的用電量，相當于3200萬的家庭一年的用電量。
生成式AI帶來破壞式創(chuàng)新與商機，但隨之而來的能源需求也是前所未有。一篇研究文章指出，訓練最新一代的生成式AI模型，較上一代模型高出十至百倍。生成式AI應用主要的能耗來自于兩方面，一是訓練構成生成式AI系統(tǒng)核心的大型語言模型（LLMs）時需要的能源，另外便是大型語言模型運作時的能耗。
生成式AI的用電量高的難以置信，假設每次Google搜索需耗費相當于一個100瓦燈泡發(fā)光11秒鐘的電量，如今當紅的生成式AI應用工具ChatGPT 每回答一個問題的用電量，竟比Google搜索高出50-100倍。面對突增的電力需求，升級數(shù)據(jù)中心架構迫在眉睫，數(shù)據(jù)中心業(yè)者更直言接下來4年數(shù)據(jù)中心在升級設備的花費預估將高達1兆美元。
雖然如浸沒式冷卻、人工智能優(yōu)化方案、廢熱再利用等新興技術已經(jīng)出現(xiàn)，但這些方案皆無法從根本解決問題。由于基于硅開發(fā)的功率元件效率低落，現(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心高度依賴冷卻系統(tǒng)來維持安全的運作溫度，因此兼具能效、尺寸優(yōu)勢及輸出功率的電力解決方案正是當前數(shù)據(jù)中心急迫所需。
氮化鎵具無可匹敵的效率與性能
相較傳統(tǒng)電源供應器，基于氮化鎵功率元件設計的電源供應器，能實現(xiàn)超群的性能與效率，在生成式AI應用不斷升級下，成為數(shù)據(jù)中心理想選擇。憑借更快的開關速度及卓越的輸入和輸出品質因數(shù)（Figures of Merit)，氮化鎵實現(xiàn)電源設計上的優(yōu)勢，帶來超越鈦金級的能效表現(xiàn)，并大幅提高功率密度。
氮化鎵電晶體為電源設備帶來更高的效率水準，效率提高代表能源損耗減少，設備也能減少過熱情形。舉例來說，在典型數(shù)據(jù)中心架構中，基于氮化鎵設計的電源供應器每年可為每10個機架增加300萬美元的營收，減少100公噸的二氧化碳排放量，省下13000美元的運營支出。當生成式AI對電力需求持續(xù)攀升、且每機架的功率密度提升至2-3倍時，這些氮化鎵所帶來的優(yōu)勢將更顯著。
你也許會好奇，氮化鎵的所帶來的好處如此顯而易見，但為什么數(shù)據(jù)中心業(yè)者沒有立即轉用這項技術？廣受數(shù)據(jù)中心使用的PUE指標中有一項經(jīng)常被忽視的盲點，也就是我們所稱“能耗指標漏洞（ PUE Loophole )”，這便是氮化鎵技術普及受限的主因。
什么是能耗指標漏洞
PUE代表IT設備負載耗電量占總耗電的比例，普遍作為評估數(shù)據(jù)中心能源效率的指標。密切監(jiān)控并持續(xù)改善PUE對數(shù)據(jù)中心運營優(yōu)化十分重要，降低PUE代表減少用電量，進而減少運營成本及環(huán)境沖擊。
然而，PUE僅計算了電力傳輸至服務器的效率，卻忽略了服務器中電力轉換間的能源損耗，這便是能耗指標漏洞，數(shù)據(jù)中心以PUE作為評估整體運營成效時會產(chǎn)生的盲點。
這個盲點造成當前許多服務器仍采用效率僅有90%甚至更低的AC-DC轉換器，這代表了每次AC-DC能源轉換間，有10%的能源在轉換中被浪費了，這不但增加了電費成本及碳排放量，被浪費的能源同時以熱的方式排出，進而提升數(shù)據(jù)中心對額外冷卻系統(tǒng)的需求，冷卻系統(tǒng)也是另一個非常耗電的設備。
氮化鎵功率半導體將為這個挑戰(zhàn)帶來轉機，為數(shù)據(jù)中心提供一個立即見效且高性價比的方式來解決能耗指標的漏洞，并省下龐大的電力需求。采用氮化鎵功率元件的AC-DC轉換器，效率可達到96% ，甚至更高，所減少的功率耗損達50%，以數(shù)據(jù)中心平均用電量換算，相當于節(jié)省了370億千瓦小時的電量，足以供應40座超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心一年的電力需求。
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