Kiến trúc điện năng trung tâm dữ liệu trải qua sự thay đổi đáng kể

Bối cảnh phân phối điện năng của trung tâm dữ liệu đang trải qua một sự chuyển đổi sâu sắc, từ kiến trúc DC 12V và 48V thông thường sang hệ thống Dòng điện một chiều cao áp (HVDC) 800V. Sự thay đổi then chốt này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của khối lượng công việc Trí tuệ nhân tạo (AI), mà các hệ thống điện áp thấp truyền thống không còn có thể hỗ trợ hiệu quả. Chẳng hạn, việc cung cấp 600 kW ở 48V sẽ đòi hỏi 12.500 ampe dòng điện, yêu cầu một lượng cáp đồng và linh kiện không thực tế. Các nhà phân tích lưu ý rằng việc cung cấp điện 1MW thông qua hệ thống 48V có thể yêu cầu hơn 200 kg đồng, dẫn đến kích thước lớn và tổn thất năng lượng đáng kể.

Các nhà lãnh đạo ngành, bao gồm gã khổng lồ chip AI Nvidia, đang đi đầu trong việc phát triển và triển khai kiến trúc HVDC 800V mới này. Sự chuyển đổi này được dự đoán sẽ giảm tới 45% nhu cầu đồng, giảm đáng kể tổn thất năng lượng bằng cách loại bỏ nhiều chuyển đổi AC sang DC và DC sang DC, đồng thời mang lại hiệu quả điện năng tổng thể tăng gấp năm lần so với các phương pháp 48V hiện có. Thiết kế giá đỡ Kyber sắp tới của Nvidia minh họa sự thay đổi kiến trúc này, nhằm hỗ trợ các giá đỡ IT 1 MW trở lên, một cấp độ không thể đạt được với các hệ thống DC 54V cũ.

Nền tảng công nghệ và cơ hội thị trường

Sự di chuyển rộng rãi hơn sang kiến trúc HVDC 800V đang tạo ra các cơ hội tăng trưởng đáng kể trên toàn mạng lưới phân phối điện, được củng cố bởi những tiến bộ trong các công nghệ then chốt:

  • Máy biến áp trạng thái rắn (SST): Thị trường SST dự kiến sẽ tăng trưởng với Tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 32% mỗi năm, có khả năng đạt gần 1 tỷ USD vào năm 2030. Các công ty lớn trong phân khúc này bao gồm Eaton, GE Vernova, Schneider Electric và Siemens.
  • Công nghệ siêu tụ điện lai (HSCs): Được phát triển bởi các công ty như Flex và Musashi Seimitsu, HSC cung cấp khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng nhanh chóng, rất quan trọng để quản lý nhu cầu điện năng cao điểm và đảm bảo hiệu suất ổn định ở mức điện áp cao hơn trong các giá đỡ máy chủ AI. Thị trường siêu tụ điện toàn cầu đang mở rộng 19% hàng năm, với dự báo đạt 9,6 tỷ USD vào năm 2032.
  • Chip bán dẫn Gallium Nitride (GaN): Chip GaN rất cần thiết cho các bộ chuyển đổi DC-DC hiệu suất cao, giúp hạ thấp 800V xuống mức thích hợp cho bộ xử lý AI, từ đó tăng mật độ công suất và hạn chế diện tích trung tâm dữ liệu. Thị trường thiết bị điện GaN dự kiến sẽ tăng trưởng mạnh mẽ 49% mỗi năm, đạt 4,4 tỷ USD vào năm 2030. Các nhà phát triển chính trong lĩnh vực này bao gồm Infineon, Navitas, Renesas, ST Microelectronics và Innoscience.
  • Bán dẫn Silicon Carbide (SiC): Cần thiết cho các ứng dụng công suất cao, điện áp cao, các thiết bị SiC ngày càng được áp dụng trong các giai đoạn số lượng lớn của trung tâm dữ liệu. Mặc dù gần đây nguồn cung SiC wafer dư thừa dẫn đến giảm giá (ví dụ, wafer SiC epitaxy 6 inch giảm 25-33% vào năm 2023), điều này lại nghịch lý thúc đẩy việc áp dụng SiC trên thị trường và mở rộng tiềm năng của nó. Quy mô thị trường toàn cầu cho các thiết bị điện SiC dự kiến đạt 6,297 tỷ USD vào năm 2027, với CAGR là 25% từ năm 2023 đến năm 2028.

Định vị chiến lược và bối cảnh cạnh tranh

Các công ty như Nvidia đang định vị chiến lược ở vị trí tiên phong của sự thay đổi kiến trúc này, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái. Chiến lược của họ bao gồm dẫn đầu sự chuyển đổi này với các hệ thống quy mô giá đỡ Kyber, dự kiến sản xuất toàn bộ vào năm 2027, và xây dựng một mạng lưới rộng lớn các đối tác trong ngành, bao gồm các nhà cung cấp silicon như Analog Devices, Infineon, Navitas, ON Semiconductor và STMicroelectronics.

Infineon Technologies (IFX) dường như được định vị đặc biệt tốt để tận dụng cơ hội điện năng trung tâm dữ liệu AI. Danh mục đầu tư tích hợp theo chiều dọc và phương pháp hệ thống của công ty, cùng với sự hợp tác với Nvidia về kiến trúc HVDC 800V, là những lợi thế quan trọng. Infineon đã cam kết đầu tư 1,2 tỷ USD vào sản xuất wafer GaN 300mm và dự kiến triển khai toàn bộ hệ thống HVDC 800V trong các giá đỡ Kyber của Nvidia từ năm 2025 đến năm 2026. Động thái này phù hợp với dự báo của Infineon về CAGR doanh thu 23% đến năm 2030.

STMicroelectronics (STM) cũng cung cấp các sản phẩm liên quan cho thị trường đang phát triển này nhưng phải đối mặt với áp lực phải đẩy nhanh nỗ lực để giành thị phần. Ngược lại, các nhà sản xuất bộ cấp nguồn (PSU) truyền thống phải đối mặt với những rủi ro đáng kể khi ngành chuyển sang bộ chỉnh lưu hàng loạt chuyển đổi trực tiếp nguồn điện AC thành DC, có khả năng loại bỏ các PSU gắn trên giá đỡ. Các công ty như Flex (FLEX) và Eaton (ETN) đang được hưởng lợi, với Flex báo cáo biên lợi nhuận hoạt động được cải thiện và Eaton chứng kiến ​​lượng đơn đặt hàng tồn đọng trung tâm dữ liệu tăng đáng kể lên 470 tỷ USD, tăng 213%, phản ánh khoản đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng AI.

Tác động thị trường rộng lớn hơn và triển vọng tương lai

Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của khối lượng công việc AI là chất xúc tác chính cho sự chuyển đổi sang kiến trúc DC 800V, với các ứng dụng AI dự kiến sẽ tăng gấp bốn lần nhu cầu điện năng trung tâm dữ liệu vào năm 2030. Tổng thị trường bán dẫn cho trung tâm dữ liệu, bao gồm tính toán, bộ nhớ, mạng và điện năng, dự kiến sẽ tăng từ 209 tỷ USD vào năm 2024 lên gần 500 tỷ USD vào năm 2030, chủ yếu được thúc đẩy bởi AI tạo sinh và tính toán hiệu suất cao. Nhu cầu điện năng trung tâm dữ liệu toàn cầu dự kiến sẽ tăng hơn gấp đôi vào năm 2030, đạt khoảng 945 terawatt-giờ (TWh), một con số tương đương với tổng lượng điện tiêu thụ hiện tại của Nhật Bản.

Sự chuyển đổi này mang lại những lợi ích kinh tế đáng kể, bao gồm việc giảm Tổng chi phí sở hữu (TCO) dự kiến lên tới 30% thông qua việc tăng hiệu quả, độ tin cậy và cải thiện kiến trúc hệ thống. Tuy nhiên, những thách thức vẫn còn, đặc biệt là liên quan đến độ tin cậy của các công nghệ bán dẫn mới. Bob Carroll, cựu giám đốc R&D của Infineon, lưu ý rằng mật độ khuyết tật của GaN vẫn là một mối lo ngại trong các môi trường trung tâm dữ liệu quan trọng, nơi một lỗi linh kiện đơn lẻ có thể yêu cầu thay thế toàn bộ thẻ GPU.

Trong tương lai, việc áp dụng rộng rãi kiến trúc DC 800V ngoài những người chấp nhận sớm dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2027, trùng với thời điểm sản xuất toàn bộ các hệ thống quy mô giá đỡ Kyber của Nvidia. Nhu cầu điện năng ngày càng tăng từ các trung tâm dữ liệu cũng sẽ yêu cầu đầu tư vốn đáng kể vào cơ sở hạ tầng phát điện và lưới điện, với ước tính 50 tỷ USD cần thiết cho công suất phát điện của Hoa Kỳ vào năm 2030. Các tác động dài hạn bao gồm tăng cường hiệu quả và tính bền vững của trung tâm dữ liệu, có khả năng dịch chuyển vị trí dẫn đầu thị trường và lợi nhuận sang các công ty thành công trong việc thích ứng với các kiến trúc điện năng mới này, đặc biệt là những công ty phục vụ lĩnh vực AI.