資料中心電源架構正在經歷重大變革

資料中心配電格局正在經歷一場深刻的變革，正從傳統的12V和48V直流架構轉向更高電壓的800V高壓直流 (HVDC) 系統。這一關鍵轉變主要由人工智慧 (AI) 工作負載不斷增長的電力需求驅動，傳統低壓系統已無法有效支持這些需求。例如，在48V下提供600 kW功率將需要12,500安培電流，這需要不切實際的大量銅電纜和組件。分析師指出，透過48V系統輸送1MW電力可能需要超過200公斤的銅，導致體積龐大和巨大的能量損失。

包括AI晶片巨頭輝達在內的行業領導者，正處於開發和實施這種新型800V HVDC架構的最前沿。預計這一轉變將減少高達45%的銅需求，透過消除多重交流到直流和直流到直流轉換來顯著降低能量損耗，並實現比現有48V方法高出五倍的整體電源效率。輝達即將推出的Kyber機架設計就體現了這一架構轉變，旨在支持1MW及以上的IT機架，這是傳統54V直流系統無法達到的水平。

技術基礎和市場機遇

向800V HVDC架構的更廣泛遷移正在整個配電網絡中創造巨大的增長機遇，這得益於關鍵技術的進步：

  • 固態變壓器 (SSTs)： SSTs市場預計將以每年32%的複合年增長率 (CAGR) 增長，到2030年可能達到近10億美元。該領域的主要參與者包括伊頓、通用電氣Veronva、施耐德電氣和西門子。
  • 混合超級電容器技術 (HSCs)： 由富思特和武藏精密工業等公司開發，HSCs提供快速的能量存儲和釋放，這對於管理峰值電力需求和確保AI伺服器機架在更高電壓水平下的穩定性能至關重要。全球超級電容器市場每年增長19%，預計到2032年將達到96億美元。
  • 氮化鎵 (GaN) 半導體晶片： GaN晶片對於高效DC-DC轉換器至關重要，這些轉換器將800V降壓到適合AI處理器的適當水平，從而提高功率密度並限制資料中心的佔地面積。GaN功率器件市場預計將以每年49%的強勁速度增長，到2030年達到44億美元。該領域的關鍵開發商包括英飛凌、納微半導體、瑞薩電子、意法半導體和英諾賽科。
  • 碳化矽 (SiC) 半導體： SiC器件對於高功率、高電壓應用至關重要，在資料中心批量階段越來越多地被採用。儘管最近SiC晶圓生產過剩導致價格下降（例如，2023年6英寸SiC外延晶圓價格下降25-33%），但這反而加速了SiC的市場採用並擴大了其潛力。SiC功率器件的全球市場規模預計將在2027年達到62.97億美元，從2023年到2028年的複合年增長率為25%。

戰略定位和競爭格局

輝達等公司正在戰略性地將自己定位在這一架構轉變的最前沿，影響著整個生態系統。他們的戰略包括透過Kyber機架級系統引領這一轉變，該系統計劃於2027年全面投產，並與包括亞德諾半導體、英飛凌、納微半導體、安森美和意法半導體在內的矽供應商建立廣泛的合作夥伴網絡。

英飛凌科技 (IFX) 似乎特別有能力利用AI資料中心電力機遇。該公司垂直整合的產品組合和系統方法，加上與輝達在800V HVDC架構上的合作，是其關鍵優勢。英飛凌已承諾投資12億美元用於300毫米GaN晶圓製造，並預計到2025年至2026年，800V HVDC系統將在輝達的Kyber機架中全面部署。此舉符合英飛凌到2030年實現23%收入複合年增長率的預測。

意法半導體 (STM) 也為這個不斷發展的市場提供了相關產品，但面臨加快努力以確保市場份額的壓力。相反，傳統電源單元 (PSU) 製造商面臨重大風險，因為行業正轉向將交流主電源直接轉換為直流電的批量整流器，這可能會淘汰機架式PSU。像富思特 (FLEX) 和伊頓 (ETN) 這樣的公司正在受益，富思特報告營運利潤率有所改善，而伊頓的資料中心積壓訂單大幅增加到4700億美元，增長了213%，這反映了AI基礎設施的巨大投資。

更廣泛的市場影響和未來展望

AI工作負載的指數級增長是向800V直流架構轉變的主要催化劑，預計到2030年，AI應用將使資料中心電力需求翻兩番。資料中心半導體市場的總規模，涵蓋計算、存儲、網絡和電源，預計將從2024年的2090億美元增長到2030年的近5000億美元，這主要受生成式AI和高性能計算的推動。全球資料中心電力需求預計到2030年將翻一番以上，達到約945太瓦時 (TWh)，這一數字與日本目前總電力消耗相當。

這一轉變提供了顯著的經濟效益，包括透過效率、可靠性和系統架構改進，預計將總擁有成本 (TCO) 降低高達30%。然而，挑戰依然存在，特別是新半導體技術的可靠性問題。前英飛凌研發執行官Bob Carroll指出，在任務關鍵型資料中心環境中，GaN的缺陷密度仍然是一個問題，在這種環境中，單個組件故障可能需要更換整個GPU卡。

展望未來，800V直流架構在早期採用者之外的廣泛應用預計將於2027年開始，這與輝達Kyber機架級系統的全面投產相吻合。資料中心不斷增長的電力需求也需要對發電和電網基礎設施進行大量資本投資，預計到2030年美國發電能力需要500億美元。長期影響包括提高資料中心效率和可持續性，可能將市場領導地位和盈利能力轉移到成功適應這些新電源架構的公司，特別是那些服務於AI領域的公司。