硅材料要哭了!新宠GaN让数据中心能源效率翻倍,成本还打5折

氮化镓(GaN)最早出现在汽车制造商的研究清单中,GaN能够为自动驾驶汽车带来更好的视野,并带来更好的增强现实体验。后来人们发现它还可以极大地提高数据中心的能源效率。将功率转换芯片中的硅这种半导体材料换成GaN,有望研制出极其小巧、极其节能的器件,而且开关速度快得多。

从IT全球发展形势来看,网络需要配备GPU功能更强大的计算机。这些机器需要强大的功率,而放置它们的数据中心必须针对高功率密度而设计, 主机上的GaN功率转换器有望大幅度提升能源效率,这意味着更强大的计算能力可以塞入到单个数据中心机柜中,从而让这项技术吸引数据中心领域的一大批公司,从硬件供应链上的厂商到超大规模云平台运营商,不一而足。

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将功率转换损耗减少一半

德州仪器是世界上最大的半导体公司之一,其产品线经理Steven Tom表示,如果使用GaN器件而不是硅,“可以将功率损耗减少一半。我们认为,GaN完全有望改变游戏规则。我们对这项技术非常看好;它其实做到了硅技术做不到的事情。”。德州仪器即将针对数据中心市场推出的一款产品把两个EPC GaN晶体管及其他部件合并成单块功率转换芯片。

总部位于加州埃尔塞贡多的Efficient Power Conversion(EPC)一向是功率转换市场GaN芯片背后的一股主要力量。Alex Lidow是该公司的两位创始人之一,他可能是GaN最著名、最狂热的布道师。现在他也主张用GaN晶体管淘汰那些硅MOSFET。

超大规模云公司涉足GaN

托管在大型数据中心中的大规模平台的运营商――据Lidow声称这些公司包括Facebook、谷歌和甲骨文,一直在购买GaN芯片,并探究这项技术,不过它们还没有将该芯片大规模地做入到自己的服务器中。他表示,人工智能和云计算正使数据中心的功率密度成为这些公司关注的一个紧迫问题,而基于GaN的功率转换是一种潜在的解决办法。

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基于硅的服务器功率转换器件(左)与基于GaN的功率转换器件(右)。较小器件上的蓝色芯片是EPC的GaN晶体管。

角逐GaN领域的并非只有EPC和德州仪器这两家。它们的竞争对手包括Transphorm,总部位于加州戈利塔的这家GaN功率转换芯片生产商已吸引了来自谷歌创投、凯鹏华盈和Byers等知名投资者数亿美元的资金资入。另一个例子是Macom,总部位于马萨诸塞州洛厄尔的这家半导体公司三年前收购了Nitronex,后者是最早投产硅基GaN的公司之一。

“符合规范的波形”

半导体行业人士长期来就知道,在GaN和硅之间,GaN是更好的半导体材料,因为GaN中原子之间的化学键比硅中原子之间的化学键更强劲,所以可以使元件极其紧凑地挨在一起,又不失去对电子流的控制。

与硅相比,GaN为电源内部的电波形减少了不需要的缺陷。Tom说:“在电源中,关键是制作完美的方波。”阻止那些完美方波形成的是耗散:讨厌的环形、过冲、下冲,所有这些能量都在板上循环。使用GaN芯片,“我们就能制作出符合规定的波形。”

改进不仅仅归功于把硅晶体管换成GaN晶体管,器件还需要完全重新设计。德州仪器的新器件减少了能量从进入点到目的地之间需要经历的转换步骤的数量。交流电输入、隔离、中间总线转换器和负载点转换器等步骤(这每个步骤都会带来一定的功率损耗)减少到两个步骤:在每个负载点从48伏直流电转换成12伏直流电,从12伏转换成1伏。Tom解释:“由于器件特性,你在这个转换过程中可以获得同样或更好的性能。”

从甲壳虫到法拉利

GaN将颠覆年产值300亿美元的功率转换行业的很大一部分,对此Lidow毫不怀疑。 他说:“就像太阳必然升起一样,GaN也必然会取代功率转换系统中的硅。”然而,不太可能取代逻辑半导体(CPU和GPU)中的硅。“有这个可能,但不确定。”

他看到今天GaN的唯一缺点就是对它缺乏了解。“它在用户群方面不如硅。”Lidow表示,之前根本没有出现过在成本和性能方面比硅出色得多的材料,从一种材料换成另一种材料就好比从一辆旧的大众甲壳虫换成法拉利,这个转变难免会让驾驶员面临学习曲线。

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