AI時代的數據中心成吃電巨獸，氮化鎵會是能效救星嗎？
2023-10-17 17:47
數位經濟正經歷一場由兩大趨勢驅動的巨大變革，即時數據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的研發創新。根據彭博智庫（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年內擴大至1.3兆美元。
在AI的蓬勃發展下，數據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，更成為數據中心達成凈零排放目標的阻礙。當前數據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，數據中心運營商正急迫地尋找創新電力解決方案。
氮化鎵（GaN）功率半導體應運而生，成為數據中心優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對數據中心帶來的挑戰、氮化鎵功率器件的優勢，最后分析業界普遍使用的“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據中心電力系統中的應用將加速落地。
生成式AI對數據中心的沖擊將加劇
面對數據量爆炸，依傳統工作負載量所規劃的數據中心基礎架構正面臨巨大壓力。全球數據量每兩年便翻漲一倍，處理、儲存這些龐大數據的服務器，需要大量的能源及水資源來維持運作。根據麥肯錫的預測，在未來五年內，光是位于美國地區的數據中心便將新增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，升級數據中心架構迫在眉睫，數據中心業者更直言接下來4年數據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、人工智能優化方案、廢熱再利用等新興技術已經出現，但這些方案皆無法從根本解決問題。由于基于硅開發的功率元件效率低落，現今的數據中心高度依賴冷卻系統來維持安全的運作溫度，因此兼具能效、尺寸優勢及輸出功率的電力解決方案正是當前數據中心急迫所需。
氮化鎵具無可匹敵的效率與性能
相較傳統電源供應器，基于氮化鎵功率元件設計的電源供應器，能實現超群的性能與效率，在生成式AI應用不斷升級下，成為數據中心理想選擇。憑借更快的開關速度及卓越的輸入和輸出品質因數（Figures of Merit)，氮化鎵實現電源設計上的優勢，帶來超越鈦金級的能效表現，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，在典型數據中心架構中，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，但為什么數據中心業者沒有立即轉用這項技術？廣受數據中心使用的PUE指標中有一項經常被忽視的盲點，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，普遍作為評估數據中心能源效率的指標。密切監控并持續改善PUE對數據中心運營優化十分重要，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，數據中心以PUE作為評估整體運營成效時會產生的盲點。
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，進而提升數據中心對額外冷卻系統的需求，冷卻系統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帶來轉機，為數據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%，以數據中心平均用電量換算，相當于節省了370億千瓦小時的電量，足以供應40座超大規模數據中心一年的電力需求。
更多新聞
祝賀公司“面向半導體封測及相關產業鏈企業的工業互聯網數字化車間項目”成功入選“2023深圳數字化轉型優秀應用成果”
2024-01-31
