AI發展導致資料中心電力消耗激增，日本經濟產業省推動Watt-Bit基礎建設協同整備國家戰略，透過官民懇談會聯合電力、通訊、資料中心及半導體產業，實現超節能資料中心的全國最佳配置。策略聚焦於三點：資料中心向郊區分散、高密度AI伺服器機櫃演進，以及電源架構轉型。
AI的驚人發展為社會帶來巨大變革，同時也凸顯出一個嚴峻議題──支撐其運作的資料中心，電力消耗量正急劇攀升。
為解決此電力難題、協助日本引領AI時代，日本經濟產業省正大力推動名為Watt-Bit基礎建設協同整備(ワット・ビット連携)的國家戰略，旨在實現超節能型資料中心並在全國進行最佳化配置。
透過Watt-Bit基礎建設協同整備官民懇談會(ワット・ビット連携官民懇談会)等平台，日本經濟產業省正聯合電力、通訊、資料中心、半導體等各產業力量，全力推動這項構想的落實。
AI電力需求快速成長
以ChatGPT為代表的生成式AI迅速普及，直接導致資料中心的電力消耗激增。複雜的AI模型在訓練與推理過程中需要龐大運算資源，而這些運算能力主要由24小時持續運作的資料中心高效能伺服器所提供。
電力消耗的急劇增加不僅加重了地區環境的負荷，也引發穩定供電上的擔憂。隨著AI持續發展，傳統電力供應體系的限制逐漸浮現。
在這種背景下，亟待解決的主題可歸納為三點：節能化、再生能源的利用、資料中心的區域分散配置。要實現永續社會，必須擺脫對化石燃料發電的依賴，將太陽能、風能等再生能源發電視為必要電力供應方式(圖1)。
圖1 資料中心耗電量劇增
資料中心架構走向分散
作為社會重要基礎設施的資料中心正迎來重大轉型期。
此前，受低延遲通訊需求驅動，城市型資料中心多集中建設於東京等大都市圈，為金融、醫療健康、邊緣運算等對高速且低延遲的資料存取有要求的服務提供支援。但隨著AI普及帶來的用電量增加，以及從大規模災害時的業務連續性(Business Continuity Plan, BCP)角度考量，近年來資料中心向郊區分散的趨勢加速(圖2)。
圖2 都市型VS.郊區型資料中心
郊外型資料中心易於確保廣大土地，適合引進太陽能、風能等再生能源。此外，在電網容量充裕的地區可期待穩定供電；在氣候涼爽、水源豐富的地區，冷卻效率也會提升，進而降低營運成本。因此，郊外型資料中心在雲端託管、備份、災害復原系統、大規模儲存等領域的應用不斷推進。
高密度伺服器成主流
無論是難以確保場地的城市型資料中心，還是易於取得廣大土地的郊外型資料中心，其伺服器安置空間都存在限制。
因此，目前用於存放伺服器的機櫃，正朝著能高效容納更多高效能伺服器的高密度AI伺服器機櫃方向演進。
相較於資料中心整體伺服器機櫃總數的大幅成長，未來更可能呈現高密度化趨勢：透過增加單一機櫃中搭載的CPU、GPU及其他擴充卡，在有限空間內大幅提升單機櫃運算能力，從而釋放最大效能。即使外觀相同，伺服器機櫃的內部運算容量仍可能提升數倍(圖3)。
圖3 AI伺服器日益高性能化，機櫃日益高密度化
這種高效能化、高密度化對電力供應機制提出了重大變革需求。傳統的多級電力轉換存在較大功率損耗，難以達成高效供電。因此，未來將推動減少電力轉換步驟、推進高壓直流(High Voltage Direct Current, HVDC)等技術革新，而SiC和GaN功率半導體的有效利用也將變得不可或缺。以ROHM為代表的各企業，正致力於相關技術研發，為此電源系統的重大變革提供支持，並協助資料中心落實整體的節能與高效能化。
電源架構面臨轉型
高效能AI伺服器，尤其是GPU的功耗快速增加，正促使現有資料中心的電源架構進行根本性調整。原因在於目前多級的電力轉換有較大轉換損耗，難以落實高效率供電。
目前資料中心的供電流程為：高壓交流電輸入後，透過多台變壓器和整流器逐步降壓，最後轉換為伺服器所需的低電壓直流電。但是多級轉換會在每個步驟產生功率損耗，導致整體效率下降。
為此，資料中心未來將以電力轉換效率提升與可靠性提升為目標，推動以下變革：
減少電力轉換步驟
目前已出現整合多個轉換步驟的趨勢，例如從高壓交流電直接轉換為直流電，或從高壓直流電一次降壓至伺服器所需電壓。透過大幅減少電力轉換步驟，可將轉換損耗降至最低水平，提升系統整體效率並降低故障風險(圖4)。
圖4 伺服器內部電力轉換趨勢
支援高壓直流電源
伺服器機櫃的輸入電壓正從傳統的12VDC、48VDC等低電壓到400VDC甚至800VDC(或±400VDC)等高電壓過渡。提高電壓可降低電力傳輸時的電流，進而達到母線輕量化。
另外，不採用交流電，而是以高壓直流電直接為伺服器機櫃供電的HVDC系統正逐步推廣。HVDC可減少AC/DC轉換器的數量，實現更靈活的電力調控與雙向輸電，並更適用於再生能源。
固態變壓器的發展
變壓器設備可望從傳統變壓器向採用半導體技術的固態變壓器(Solid State Transformer, SST)演進。與傳統設備相比，SST被認為是一種能夠有效推動小型化的技術方案。
SiC/GaN功率半導體需求成長
要落實高效率高壓電源系統，就需要傳統矽半導體難以企及的性能。因此，SiC和GaN功率半導體成為必然選擇。它們在高壓輸入條件下仍能實現低損耗、高頻運作和高溫工作，非常有助於電源系統的小型化與效率提升。
此外，不僅是電源系統，伺服器機櫃內的各類設備也朝向多功能化、高效能化發展，這些將有助於進一步提升能源效率。
部分廠商如ROHM正積極研發下一代伺服器的解決方案，除了利用EcoSiC、EcoGaN與EcoMOS等現有產品(如SiC/GaN/Si IGBT、隔離型閘極驅動器、冷卻風扇驅動器、SSD用PMIC、HDD用複合馬達驅動器)外，亦規劃開發大電流LV MOS、隔離型DC-DC、SoC/GPU用DC-DC、eFuse等產品。
為因應市場變革，ROHM在深度最佳化現有產品群性能的同時，正積極推動以SiC和GaN為核心的功率半導體創新產品研發，以靈活響應新的市場需求。透過這些舉措，ROHM將為從資料中心末端的伺服器機櫃到整個系統，提供高耐壓、高效率的元件，為下一代電源系統提供支撐。
AI資料中心功率半導體新需求
高壓大電流場景適用SiC元件
SiC元件在需要高電壓大電流的領域具備顯著優勢。如前所述，隨著伺服器機櫃輸入電壓向高壓演進，傳統54V機櫃電源系統除面臨物理空間限制外，還有用銅量過高、功率轉換損耗等問題。
為此，如在下一代資料中心電源系統中採用ROHM的SiC MOSFET，可使其在高電壓、高功率條件下發揮出優異性能，透過降低開關損耗及導通損耗實現效率提升，並滿足緊湊、高密度系統要求的高可靠性。這不僅能將耗能降到更低，還有助於削減用銅量，簡化資料中心整體的功率轉換過程。
高效化小型化適用GaN元件
SiC適用於高電壓大電流場景，而GaN則在100V~650V範圍內性能優勢顯著，可實現優異的介電擊穿強度、低導通電阻和超高速開關特性。
AI伺服器比通用伺服器處理的資料量更大，需運轉高效能GPU、大容量記憶體及高效能軟體。因此耗電量更多，散熱與冷卻也更為重要。
在電源模組中使用可實現高速開關(高頻運轉)的GaN HEMT，能夠最大程度地降低功率損耗。功率轉換效率的大幅提升可望帶來節能效益，從而降低營運成本，以及減輕環境負荷。
此外，具有高電流密度的GaN元件與傳統矽元件相比，體積可減少約30%~50%，方便為電源模組、充電器等設備預留空間，同時簡化散熱設計。
而且，透過單元小型化，可利用節省的空間，減輕冷卻系統負擔，進而有助於減小系統整體的體積並提高其可靠性。加之GaN元件可靠度高且適用於高頻應用，因此被視為資料中心的理想選擇。
部分廠商如ROHM，則透過採用Nano Pulse Control技術，將脈衝寬度縮短至最小2ns。為滿足AI資料中心對小型、高效電源系統的需求，ROHM亦不斷擴充相關產品組合。EcoGaN系列除150V和650V的GaN HEMT、閘極驅動器外，還包括整合了上述裝置的Power Stage IC等產品。
AI的進化從未停止，隨之而來的電力需求成長已成為不可迴避的現實。
根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA)預測，未來五年全球資料中心的電力需求較目前成長一倍以上，達9,450億kWh，其中半數將由太陽能、風能等再生能源提供。這明確表明，在耗電量龐大的資料中心領域，光伏發電(Photovoltaic, PV)、儲能系統(Energy Storage System, ESS)等再生能源市場正在快速崛起。
為因應此一課題，日本政府正以國家戰略Watt-Bit構想為框架，透過官民協同機制推進多維度解決方案，包括提升電力系統效率、最大化利用再生能源、最佳化資料中心布局規劃等。
ROHM以SiC、GaN元件等先進功率半導體技術為核心，擁有可達成高效率電源系統及適配高壓輸入的相關產品。同時，為滿足下一代AI資料中心的需求，亦積極投入新產品研發。相關技術有助於提升資料中心能源效率，並支持更永續的AI基礎設施發展。
(本文由ROHM提供)