作為AI服務(wù)器電源效率的“金標準”，80PLUS能效標準從誕生起就不止是一個數(shù)值門檻，更是推動整個數(shù)據(jù)中心能源體系升級的隱形引擎。2025年，80PLUS能效標準再升級，全新Ruby（紅寶石）等級超越Titanium（鈦金），成為當(dāng)前最嚴苛的能效目標。

自80PLUS標準推出至今已進入第三個十年，當(dāng)初“能效不低于80%”的基礎(chǔ)要求早已成為歷史。而此次在80PLUS框架下新增的“紅寶石”等級，是14年來的首次重大更新，對降低數(shù)據(jù)中心能耗，尤其是AI算力指數(shù)級爆發(fā)等高能耗趨勢下具有關(guān)鍵意義。

本文將深入解讀這一新標準，以及實現(xiàn)該標準所需的核心技術(shù)。

01數(shù)據(jù)中心能耗：AI時代的緊迫挑戰(zhàn)

人工智能（AI）正以迅猛之勢極速發(fā)展，盡管這項技術(shù)將為整個社會帶來顛覆性的價值，但其能耗問題也日益凸顯——尤其是在模型訓(xùn)練階段的機器學(xué)習(xí)（ML）過程中，電力需求尤為驚人。

為應(yīng)對極速增加的算力需求，全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量在過去十年間近乎翻倍，目前已達7000個。據(jù)預(yù)測，到2026年，全球數(shù)據(jù)中心能耗將達到1000太瓦時（TWh），較2022年的460太瓦時增長超一倍；而僅美國一地，到2030年的能耗就可能達到這一水平。

這種增長并非個例：瑞典的數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)計到2030年翻倍，到2040年再翻一倍；英國未來十年內(nèi)的能耗則可能增長5倍。

從全球范圍看，數(shù)據(jù)中心能耗已占全球總能耗的2%；在美國，這一比例高達3%（與當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)中心密集度相關(guān)）。更值得關(guān)注的是，受AI需求驅(qū)動，到2030年，數(shù)據(jù)中心能耗占全球電力消耗預(yù)測的比例可能升至8%。

顯然，能源供應(yīng)能力是數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。為此，運營商正考慮投資可再生能源，甚至小型核設(shè)施為AI數(shù)據(jù)中心供電。但無論能源來自何處，“最大限度提升能源利用效率”已成為行業(yè)共識。

02能效標準：推動行業(yè)升級的核心動力

自2004年起，80 PLUS框架就為電源單元（PSU）能效提供了行業(yè)通用基準（盡管為自愿性標準）。過去，電源廠商常以單一能效數(shù)值宣傳產(chǎn)品，卻可能掩蓋其在不同負載下的低效表現(xiàn)。80 PLUS標準則針對性解決了這一問題：要求計算機和服務(wù)器電源在10%、20%、50%和100%額定負載下，能效均不低于80%，且功率因數(shù)不低于0.90。

而全新的“紅寶石”等級在此基礎(chǔ)上進一步升級：

新增“5%負載下能效達到90%”的要求

針對277V和480V內(nèi)部冗余電源框架，將功率因數(shù)（PFC）達標范圍擴展至5%~100%全負載區(qū)間

5%~20%負載范圍內(nèi)，功率因素需超過0.90

20%~100%負載范圍內(nèi)，功率因素需超過0.96

隨著時間的推移，該框架不斷演進，納入了針對高性能電源的更嚴苛等級（青銅級、白銀級、黃金級、鉑金級），并在2011年最終推出了“鈦金”（Titanium）標準。該標準不僅將高負載下的能效要求提升至96%，還新增了“僅10%負載下能效需達到90%”的要求，并將功率因數(shù)校正（PFC）的要求調(diào)整至20%負載段。

277V/480V內(nèi)部冗余電源的80 PLUS各等級要求來源：CLEAResult

考慮到能效會受到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電壓水平的影響，以及電源單元（PSU）采用單相或是多相輸入、是否為冗余式設(shè)計等因素，因此出臺了更多框架來應(yīng)對這些變量。

經(jīng)綠色網(wǎng)格聯(lián)盟（GreenGrid）認可，2025年1月，80PLUS標準的管理機構(gòu)CLEAResult宣布新增“紅寶石”等級。作為14年來首次更新的數(shù)據(jù)中心能效認證標準，這一等級顯著提高了行業(yè)門檻。

與“鈦金”相比，“紅寶石”在所有負載段均提高了能效要求：20%負載下的能效從94%提升至95%，50%負載下從96%提升至96.5%。乍看之下，這些0.5~1個百分點的提升似乎微不足道，但實際上，這意味著能耗損失分別減少了16.7%和12.5%。

結(jié)合實際場景來看，隨著明年全球數(shù)據(jù)中心耗電量將達到1000太瓦時，電源能效每提升0.5個百分點，就能節(jié)省5太瓦時電力——按美國的電力結(jié)構(gòu)測算，這相當(dāng)于減少超200萬噸二氧化碳排放（來源：美國環(huán)保署eGrid2023數(shù)據(jù)表）。

此外，“紅寶石”級新增了“5%負載下能效需達到90%”的要求，并針對277V和480V內(nèi)部冗余電源框架，將功率因數(shù)校正（PFC）的要求擴展至5%~100%的全負載區(qū)間；同時，在20%至滿負載段，將功率因數(shù)提升至0.96。

03新材料和新拓撲：實現(xiàn)80 PLUS“紅寶石”的關(guān)鍵

要滿足80 PLUS“紅寶石”這樣嚴苛的標準，電源設(shè)計需從拓撲結(jié)構(gòu)、核心器件材料到兼容性規(guī)范全方位突破。

設(shè)計人員正轉(zhuǎn)向氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBG）材料，以實現(xiàn)更高的功率密度和能效——這兩種材料是突破傳統(tǒng)硅基器件性能瓶頸的核心。

服務(wù)器電源還需符合行業(yè)兼容性與互操作性標準，例如開放計算項目（OCP）的數(shù)據(jù)中心模塊化硬件系統(tǒng)（DC-MHS）規(guī)范，該規(guī)范統(tǒng)一了數(shù)據(jù)中心設(shè)備的接口與形態(tài)。

其中，M-CRPS（通用冗余電源）是OCP定義的1U高內(nèi)部電源標準，ORv3電源架則采用“每架6個電源”的形態(tài)標準。目前，M-CRPS電源雖可支持12V輸出，但54V輸出因能降低電流損耗而更受青睞；同理，電源架普遍采用48V輸出。

在有限空間內(nèi)實現(xiàn)高效能，LLC轉(zhuǎn)換器已成為數(shù)據(jù)中心/服務(wù)器電源設(shè)計的核心方案——尤其當(dāng)與寬禁帶技術(shù)結(jié)合時，優(yōu)勢更為顯著。

平面變壓器技術(shù)進一步強化了LLC轉(zhuǎn)換器的性能：通過將扁平繞組直接嵌入PCB層，可優(yōu)化散熱、降低漏感、提升功率密度。

當(dāng)與高頻氮化鎵器件配合時，其低電壓-秒積特性可避免磁芯飽和，從而減少整體損耗。

04納微半導(dǎo)體的技術(shù)實踐

基于上述拓撲與技術(shù)路徑，納微半導(dǎo)體研發(fā)出一款單輸出54V CRPS電源：采用高功率GaNSafe氮化鎵功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，輸出功率達4.5kW，功率密度高達137W/inch3，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。

傳統(tǒng)線繞變壓器雖可承受83A電流，但要滿足OCP規(guī)范的尺寸限制，開關(guān)頻率需至少達到300kHz（以減小輸出電容和磁件體積）——這已超出硅基器件的性能極限，因此硅基方案無法滿足OCP合規(guī)設(shè)計要求。

值得注意的是，氮化鎵器件的設(shè)計雖與硅基類似，但需特別關(guān)注柵極驅(qū)動：由于閾值電壓更低，電壓尖峰或震蕩可能影響可靠性。納微半導(dǎo)體的GaNSafe氮化鎵功率芯片集成了控制、驅(qū)動與保護功能，從設(shè)計層面消除了器件損壞風(fēng)險。

納微半導(dǎo)體4.5kW 54V CRPS電源

采用碳化硅與氮化鎵器件實現(xiàn)137W/in3的功率密度

在這款參考設(shè)計中，無橋交錯圖騰柱PFC級的損耗遠低于傳統(tǒng)橋式整流器——其核心是納微第三代快速碳化硅MOSFET，憑借極低的反向恢復(fù)損耗和開關(guān)損耗，使PFC級可工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，實現(xiàn)硅基方案無法企及的低損耗水平。

納微的GeneSiC功率器件基于“溝槽輔助平面柵”結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）比同類產(chǎn)品低20%，且在寬溫范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能。最終，該參考設(shè)計在50%負載下實現(xiàn)了97%以上的能效。

05紅寶石很好，但行業(yè)是否做好了準備？

從80PLUS“鈦金”到“紅寶石”的跨越意義重大：不僅將能效要求擴展至5%輕負載，還拓寬了功率因數(shù)的達標范圍。如前文所述，50%負載下的0.5個百分點能效提升，實則意味著16.7%的損耗降低。

2024年末，納微半導(dǎo)體推出8.5kW AI數(shù)據(jù)中心電源參考設(shè)計——該設(shè)計符合OCP和ORv3規(guī)范，基于GaNSafe氮化鎵功率芯片和第三代快速碳化硅MOSFET，整體能效達98%，為80PLUS“紅寶石”級別標準的落地提供了切實可行的技術(shù)方案。