????????近期，英偉達(dá)(NVIDIA)已完成對(duì)意法半導(dǎo)體(ST)12kW配電概念驗(yàn)證板的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，這一成果標(biāo)志著該項(xiàng)目正式邁入生產(chǎn)驗(yàn)證測(cè)試階段。在開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)2025峰會(huì)上，這家GPU制造商展示了由意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的完整12kW電力傳輸板樣機(jī)。同時(shí)，ST也即將發(fā)布一份關(guān)于下一代人工智能數(shù)據(jù)中心高功率密度配電解決方案的白皮書，幫助工程師深入了解該電力傳輸板的工作原理，以及高功率密度的實(shí)現(xiàn)方式等。該白皮書將涵蓋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)考量、寬禁帶晶體管、架構(gòu)優(yōu)化等核心內(nèi)容。

意法半導(dǎo)體是英偉達(dá)新推出的800V機(jī)架配電開(kāi)發(fā)計(jì)劃中的重要合作伙伴。雙方合作的核心原因是意法半導(dǎo)體研發(fā)的高功率密度電力傳輸板(PBD)。這款傳輸板采用小型化設(shè)計(jì)，卻能承載12kW的功率。依托碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)功率芯片技術(shù)的最新突破、STGAP硅基嵌入式電隔離專利，以及先進(jìn)的模擬數(shù)字信號(hào)處理能力，意法半導(dǎo)體正推動(dòng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)邁入新時(shí)代。借助這款電力傳輸板，英偉達(dá)得以縮減線纜體積、提升系統(tǒng)效率。此次合作實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破：ST首次達(dá)成12kW電能持續(xù)輸出，且能效超過(guò)98%;在輸出電壓為50V時(shí)，功率密度更是突破2600W/in3。

英偉達(dá)為何選擇800V架構(gòu)?

打破傳統(tǒng)非可持續(xù)模式

過(guò)去數(shù)十年間，數(shù)據(jù)中心普遍采用48V配電系統(tǒng)，15kW功率的機(jī)架足以滿足處理器、內(nèi)存與外存的用電需求。但隨著人工智能技術(shù)興起與GPU應(yīng)用市場(chǎng)爆發(fā)，這類場(chǎng)景需依托大型架構(gòu)才能充分發(fā)揮并行運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，如今系統(tǒng)架構(gòu)工程師面臨著600kW至1MW大功率機(jī)架的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。電能需求的激增，迫使行業(yè)尋求全新電源架構(gòu)——以48V電壓輸出600kW功率為例，需承載高達(dá)12500A的電流。僅需試想處理該功率所需的電纜、母線與散熱器尺寸，便足以讓不少工程師卻步。

展望配電技術(shù)未來(lái)：800V成人工智能數(shù)據(jù)中心必備技術(shù)

要降低大功率輸出所需的電流，最直接的方案便是提高輸入電壓。電流降低不僅能大幅縮減電纜與母線尺寸，還可減少交流電網(wǎng)與機(jī)架直流配電之間的電力變換環(huán)節(jié)。事實(shí)上，英偉達(dá)曾提及，相較于當(dāng)前的54V配電系統(tǒng)，升級(jí)至800V平臺(tái)可將能效提升最高5%。簡(jiǎn)言之，在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可持續(xù)性備受關(guān)注的當(dāng)下，升級(jí)至800V架構(gòu)是提升資源利用率、從技術(shù)層面滿足人工智能創(chuàng)新需求的最佳方法之一。

然而，設(shè)計(jì)理想配電系統(tǒng)仍面臨挑戰(zhàn)：需將800V高壓轉(zhuǎn)換為母線中壓，進(jìn)而生成GPU核心電壓，同時(shí)要保證緊湊尺寸以適配服務(wù)器機(jī)架安裝。機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)配電系統(tǒng)的體積限制極為嚴(yán)格，而元器件的緊密排布又會(huì)加劇電磁干擾與熱管理難題。因此，工程師需找到既能應(yīng)對(duì)更高電壓，又能保持緊湊外形的解決方案。此外，800V平臺(tái)還需全新的電隔離與接地系統(tǒng)，安全保護(hù)機(jī)制及故障處理的復(fù)雜性也隨之大幅提升?；诖?，英偉達(dá)向意法半導(dǎo)體尋求技術(shù)支持。

ST如何實(shí)現(xiàn)緊湊空間內(nèi)的12kW功率集成，達(dá)成2600W/in3功率密度?

滿足帶電插拔要求

為應(yīng)對(duì)800V機(jī)架的固有挑戰(zhàn)，同時(shí)滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的帶電插拔要求，意法半導(dǎo)體將解決方案分為兩部分：帶電插拔保護(hù)電路與電能功率轉(zhuǎn)換器。其中，帶電插拔保護(hù)電路采用意法半導(dǎo)體的1200V碳化硅(SiC)器件與電隔離型BCD(BIPOLAR-CMOS-DMOS)控制器。2021年，IEEE正式認(rèn)可意法半導(dǎo)體為BCD系列硅半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)明者。該工藝可整合模擬與數(shù)字元件，有效提升電源管理解決方案的效率與可靠性。與此同時(shí)，意法半導(dǎo)體在碳化硅器件領(lǐng)域擁有近30年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，是首家將該技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的廠商。長(zhǎng)期的技術(shù)積累，為我們應(yīng)對(duì)此次挑戰(zhàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

優(yōu)化原邊設(shè)計(jì)

解決方案的第二部分是DC-DC轉(zhuǎn)換器，其功能是將整個(gè)機(jī)架的800V電壓轉(zhuǎn)換為單臺(tái)服務(wù)器所需的50V電壓。為在極小的機(jī)位空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，意法半導(dǎo)體在原邊采用650V氮化鎵(GaN)晶體管堆疊式半橋架構(gòu)，搭配STGAP電隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。得益于3.4eV的寬帶隙和1,700cm2/Vs的電子遷移率使GaN具有獨(dú)特的特性，可以實(shí)現(xiàn)低輸出電容和較低的導(dǎo)通電阻，使其成為處理高頻應(yīng)用的理想材料。

優(yōu)化副邊設(shè)計(jì)

在副邊設(shè)計(jì)中，意法半導(dǎo)體采用100V低壓氮化鎵(GaN)晶體管、低壓柵極驅(qū)動(dòng)器及STM32G4微控制器。這款微控制器的定時(shí)器分辨率低于200皮秒，能夠?qū)崿F(xiàn)與轉(zhuǎn)換所需開(kāi)關(guān)頻率相匹配的高性能控制。同時(shí)，STGAP器件的優(yōu)異隔離能力可實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的完全隔離，有效抵御電磁干擾(EMI)及其他可能影響緊湊型設(shè)計(jì)的異常情況。

變壓器拆分設(shè)計(jì)：兩組四單元架構(gòu)

除精選元器件外，意法半導(dǎo)體還需應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的空間限制，這意味著要縮減磁性元器件尺寸——尤其是10kV隔離設(shè)計(jì)已占用變壓器的部分預(yù)留空間。為減少變壓器磁芯用量，ST將傳統(tǒng)大尺寸全橋拓?fù)洳鸱譃閮山M架構(gòu)，每組包含四個(gè)小型并聯(lián)整流全橋。這種拆分設(shè)計(jì)可降低進(jìn)入磁芯的磁通量，分散耗散功率;同時(shí)，采用四個(gè)小型全橋后，可使用更小的鐵氧體磁芯，從而大幅縮減變壓器整體尺寸。

上述元器件與拓?fù)浣鉀Q方案，凝聚了意法半導(dǎo)體多年的技術(shù)積累與經(jīng)驗(yàn)沉淀，正是這些專業(yè)能力讓我們的方案具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。許多廠商需從外部采購(gòu)相關(guān)元器件，而意法半導(dǎo)體可提供自研整體解決方案，這對(duì)配電系統(tǒng)優(yōu)化至關(guān)重要。此外，新的800V配電架構(gòu)也凸顯了封裝小型化、寄生電感最小化與雙面散熱技術(shù)的重要性——若器件尺寸過(guò)大或封裝未經(jīng)優(yōu)化，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此緊湊的設(shè)計(jì)。而意法半導(dǎo)體始終致力于提供最小封裝器件，這也是我們成為英偉達(dá)重要合作伙伴的關(guān)鍵原因之一。

全局視角：適配多元需求，推動(dòng)行業(yè)升級(jí)

當(dāng)前，業(yè)界正積極探索更高效的超大規(guī)模人工智能基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)路徑，不同企業(yè)選擇了差異化技術(shù)方向。例如，部分企業(yè)正研發(fā)±400V系統(tǒng)。依托自身專業(yè)技術(shù)與產(chǎn)品組合，意法半導(dǎo)體可輕松復(fù)用現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案，滿足不同功率需求。事實(shí)上，我們可為所有尋求提升人工智能數(shù)據(jù)中心能效與可持續(xù)性的企業(yè)提供支持。

英偉達(dá)發(fā)布的測(cè)試公告及雙方的合作成果具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。目前，英偉達(dá)已批準(zhǔn)ST的概念驗(yàn)證板，下一步將推進(jìn)電路板制造與測(cè)試工作。這一里程碑充分體現(xiàn)了合作對(duì)數(shù)據(jù)中心格局的變革作用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)年前難以想象的能效提升。英偉達(dá)的800V高壓直流架構(gòu)與意法半導(dǎo)體的配電板，共同標(biāo)志著數(shù)據(jù)中心行業(yè)邁入新時(shí)代。