Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej poprawiają sprawność działania ośrodków przetwarzania danych

Ośrodki przetwarzania danych odgrywają kluczową i zasadniczą rolę w coraz bardziej cyfrowym, połączonym i zwirtualizowanym świecie. Ponieważ ośrodki przetwarzania danych charakteryzują się ogromnym zapotrzebowaniem na energię, wymagane są rozwiązania w zakresie zasilania, które mogą zmniejszyć straty mocy, zwiększyć sprawność i poprawić kontrolę termiczną.

Ruch w Internecie w ostatnich czasach znacznie wzrósł ze względu na coraz większą liczbę użytkowników, powszechne korzystanie z urządzeń mobilnych i sieci społecznościowych oraz zdalne przechowywanie informacji w chmurze. Według analityków, wzrost tego ruchu do pełnego nasycenia jest jeszcze przed nami.

Te prognozy wzrostu rodzą pytania o sprawność urządzeń i zużycie energii elektrycznej, co pobudza rozwój nowych energooszczędnych technologii konwersji mocy, takich jak oferowane przez urządzenia z półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej (WBG).

Sprawność jest najważniejsza

Oprócz infrastruktury fizycznej, ośrodek przetwarzania danych to konstrukcja, w której znajdują się połączone w sieć serwery komputerowe służące do elektronicznego przetwarzania, przechowywania i dystrybucji danych. Kluczowym komponentem ośrodka przetwarzania danych jest serwer - urządzenie, które przechowuje dane obsługujące Internet, przetwarzanie w chmurze oraz firmowe intranety.

Zapotrzebowanie na energię rośnie ze względu na coraz większą ilość tworzonych, przetwarzanych i przechowywanych danych cyfrowych. Oprócz zasilania stelaży, pamięci masowych i jednostek sieciowych, ośrodki przetwarzania danych potrzebują również pomocniczych urządzeń chłodzących i wentylacyjnych do usuwania ciepła wytwarzanego podczas przetwarzania danych i konwersji energii elektrycznej.

Typowa struktura systemu konwersji mocy stosowanego w ośrodku przetwarzania danych składa się z kilku przetwornic prądu zmiennego na stały, stałego na zmienny oraz stałego na stały, od których ściśle zależy sprawność całego ośrodka przetwarzania danych. Obniżenie strat w przetwornicach zasilających urządzenia do przetwarzania i przechowywania danych przynosi dwie kluczowe korzyści. Po pierwsze nie ma potrzeby dostarczania energii, która nie jest zamieniana na ciepło, a po drugie następuje zmniejszenie energii potrzebnej do utylizacji ciepła odpadowego.

Sprawność ośrodka przetwarzania danych jest często mierzona za pomocą wskaźnika efektywności zużycia energii (PUE). Opracowany przez The Green Grid standardowy sposób porównywania zużycia energii w ośrodku przetwarzania danych, wskaźnik PUE jest definiowany jako stosunek całkowitego zużycia energii w ośrodku przetwarzania danych do zużycia energii przez urządzenia informatyczne (IT).

Wskaźnik PUE jest na tyle podstawowym wskaźnikiem, że pozwala na identyfikację obszarów do rozwoju. Nie jest to wskaźnik idealny, jednak stał się standardem branżowym. W idealnym przypadku wskaźnik PUE powinien być bliski jedności, co oznacza, że ośrodek przetwarzania danych potrzebuje energii elektrycznej tylko do zaspokojenia potrzeb urządzeń informatycznych. Jednak według Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL)2 średni wskaźnik PUE wynosi około 1,8. Wskaźniki PUE ośrodków przetwarzania danych są bardzo zróżnicowane, ale ośrodki przetwarzania danych nastawione na efektywność często osiągają wartości PUE na poziomie 1,2 lub mniej.

Wysoki wskaźnik PUE może mieć różne przyczyny, na przykład:

• serwery „zombie” (lub „uśpione”) i zasilacze awaryjne (UPS), co oznacza, że urządzenia są włączone, ale nie w pełni wykorzystywane. Obejmuje to urządzenia, które w sposób niezamierzony pracują w trybie jałowym, czyli zużywają energię elektryczną, jednak nie są widoczne ani nie komunikują się na zewnątrz
• Nieefektywne strategie zasilania awaryjnego i chłodzenia
• Ośrodki przetwarzania danych bardziej koncentrują się na niezawodności niż na sprawności

Dodanie napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) do wentylatorów chłodzących oraz minimalizacja liczby serwerów i zasilaczy UPS to dwie popularne metody obniżania wskaźnika PUE. W ciągu ostatnich kilku lat przejście ze starszych architektur 12V na bardziej wydajne rozwiązania 48V (patrz ilustracja 1) pozwoliło na zmniejszenie znacznych strat mocy (strat I2R), zapewniając wydajniejsze rozwiązania w coraz bardziej energochłonnych systemach przetwarzania . Zastosowanie napięcia 48V w architekturze zasilania skutkuje szesnastokrotnie mniejszymi stratami I2R. Pomaga to spełnić stale rosnące wymagania dotyczące sprawności energetycznej, biorąc pod uwagę, że jednoprocentowa poprawa sprawności może zaoszczędzić kilowaty na poziomie całego ośrodka przetwarzania danych.

Ilustracja 1: półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) zapewniają lepsze parametry działania niż krzem. (Źródło ilustracji: Researchgate)

Korzyści z zastosowania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) w ośrodkach przetwarzania danych

Chociaż krzem (Si) jest najbardziej znaną technologią, ma on mniejszą przerwę energetyczną niż materiały o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC), co obniża jego temperaturę roboczą, ogranicza jego zastosowanie do niższych napięć i zmniejsza jego przewodność cieplną.

Przyjęcie bardziej efektywnych urządzeń zasilających, takich jak półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) w miejsce krzemu, może być bardziej efektywną alternatywą. Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) pozwalają na pokonanie ograniczeń technologii krzemowej, zapewniając wysokie napięcia przebicia, wysoką częstotliwość przełączania, niskie straty przewodzenia i przełączania, lepsze odprowadzanie ciepła oraz mniejsze rozmiary (patrz ilustracja 1). Dzięki temu uzyskuje się wyższą sprawność stopni zasilania i konwersji mocy. Jak wspomniano wcześniej, w ośrodkach przetwarzania danych nawet wzrost sprawności o jeden punkt procentowy może przełożyć się na znaczne oszczędności energii.

Azotek galu (GaN)

Azotek galu (GaN) jest rozwijającą się klasą materiałów o szerokiej przerwie energetycznej, która w paśmie przewodnictwa jest trzykrotnie większa (3,4eV) niż w przypadku krzemu (1,1eV). Ponadto azotek galu (GaN) ma dwukrotnie większą ruchliwość elektronów w porównaniu z krzemem. Znana i wyjątkowa sprawność azotku galu (GaN) przy bardzo wysokich częstotliwościach przełączania jest możliwa dzięki ogromnej ruchliwości elektronów.

Dzięki tym właściwościom urządzenia zasilające oparte na azotku galu (GaN) mogą wytrzymać silniejsze pola elektryczne przy mniejszych rozmiarach struktury. Mniejsze tranzystory i krótsze tory prądowe skutkują ultraniską rezystancją i pojemnością, co pozwala na nawet 100-krotnie szybsze przełączanie.

Obniżona rezystancja i pojemność zwiększają również sprawność konwersji energii, dostarczając więcej mocy dla obciążeń w ośrodkach przetwarzania danych. Zamiast wytwarzać więcej ciepła, co wymagałoby intensywniejszego chłodzenia, ośrodek przetwarzania danych może wykonać więcej operacji przetwarzania danych przypadających na jeden wat energii. Wysokie częstotliwości przełączania zmniejszają również rozmiary i ciężar komponentów pasywnych magazynujących energię, ponieważ każdy cykl przełączania magazynuje znacznie mniej energii. Kolejną zaletą azotku galu (GaN) jest możliwość wspierania różnych topologii przetwornic mocy i zasilaczy.

Kluczowe cechy azotku galu istotne dla zastosowań w ośrodkach przetwarzania danych są następujące:

• obsługa twardych i miękkich topologii przełączania
• szybkie włączanie i wyłączanie (przebieg przełączania azotku galu jest prawie identyczny z idealnym przebiegiem prostokątnym)
• zerowy ładunek regeneracji wstecznej
• W porównaniu z technologią krzemową (Si):
  • 10x wyższe pole przebicia
  • 2x wyższa mobilność
  • 10x niższy ładunek wyjściowy
  • 10x niższy ładunek bramki i liniowa charakterystyka Coss

Dzięki tym cechom urządzenia zasilające oparte na azotku galu (GaN) umożliwiają tworzenie rozwiązań uzyskujących:

• wysoką sprawność, gęstość mocy i częstotliwości przełączania
• zredukowane rozmiary i rezystancję w stanie włączenia
• niski ciężar
• niemal bezstratne przełączanie.

Typowe docelowe zastosowanie dla urządzeń zasilających opartych na azotku galu (GaN) pokazano na ilustracji 2. Omawiane wysokonapięciowe stopnie korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole i wysokonapięciowe stopnie rezonansowe LLC spełniają rygorystyczne wymagania zasilaczy impulsowych (SMPS) serwerów, osiągając stabilną sprawność powyżej 99% w szerokim zakresie obciążeń i przy wysokiej gęstości mocy.

Ilustracja 2: wysokosprawny zasilacz impulsowy (SMPS) oparty na azotku galu (GaN), przeznaczony do serwerów w ośrodkach przetwarzania danych (źródło: Infineon)

Węglik krzemu (SiC)

Historycznie rzecz biorąc, jednym z pierwszych zastosowań urządzeń zasilających opartych na węgliku krzemu (SiC) w ośrodkach przetwarzania danych były zasilacze awaryjne (UPS). Zasilacze awaryjne (UPS) są niezbędne w ośrodkach przetwarzania danych, ponieważ pomagają zapobiegać potencjalnie katastrofalnym skutkom awarii lub przerwy w dostawie napięcia sieciowego w czasie ich działania. Redundancja zasilania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia ciągłości działania i niezawodności ośrodka przetwarzania danych. Optymalizacja efektywności poboru mocy (PUE) w ośrodku przetwarzania danych to podstawowy priorytet każdego przedsiębiorcy i kierownictwa operacyjnego.

Ośrodek przetwarzania danych potrzebuje niezawodnego, stałego źródła zasilania. Aby spełnić to wymaganie, często stosuje się systemy UPS niezależne od napięcia i częstotliwości (VFI). Na zasilacz awaryjny (UPS) niezależny od napięcia i częstotliwości (VFI) składają się: przetwornica prądu zmiennego na stały (prostownik), przetwornica prądu stałego na zmienny (przemiennik) oraz łącze prądu stałego . Przełącznik obejściowy, używany głównie podczas konserwacji, łączy wyjście zasilacza awaryjnego (UPS) bezpośrednio ze źródłem zasilania prądem zmiennym na wejściu. W przypadku awarii zasilania sieciowego bateria składająca się zwykle z wielu ogniw łączy się z przetwornicą obniżającą lub podwyższającą i zapewnia zasilanie.

Ponieważ napięcie prądu zmiennego na wejściu jest przekształcane na napięcie prądu stałego, a następnie ponownie na precyzyjnie sinusoidalne napięcie wyjściowe, urządzenia te są zwykle układami podwójnej konwersji. W rezultacie eliminuje to wszelkie wahania napięcia zasilającego, umożliwiając zasilaczowi awaryjnemu (UPS) dostarczenie stabilnego i czystego sygnału do obciążenia. Oprócz odizolowania systemu od źródła zasilania, proces konwersji napięcia chroni obciążenie przed wahaniami napięcia.

Do niedawna najlepsze wyniki sprawności osiągały tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w trzypoziomowych topologiach przełączania. Dzięki takiemu podejściu osiągnięto poziom sprawności 96%, co stanowi znaczną poprawę w stosunku do wcześniejszych modeli opartych na transformatorach.

Tranzystory węglikowo-krzemowe umożliwiły znaczne zmniejszenie (>70%) strat mocy i zwiększenie sprawności w systemach zasilaczy awaryjnych z podwójną konwersją. Ta niezwykła sprawność (ponad 98%) utrzymuje się w sytuacjach zarówno niskiego, jak i wysokiego obciążenia.

Uzyskanie takich wyników jest możliwe dzięki swoistym właściwościom węglika krzemu. W porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi, takimi jak tranzystory MOSFET i IGBT, urządzenia oparte na węgliku krzemu (SiC) mogą pracować przy wyższych temperaturach, częstotliwościach i napięciach.

Dodatkową zaletą zasilaczy awaryjnych (UPS) opartych na węgliku krzemu (SiC) jest korzystniejsza wartość strat cieplnych (czyli odprowadzanie ciepła), co umożliwia pracę w wyższych temperaturach. Ta cecha pozwala projektantom na stosowanie bardziej kompaktowych i ekonomicznych rozwiązań w zakresie chłodzenia. Ogólnie rzecz biorąc, zasilacz awaryjny (UPS) oparty na węgliku krzemu (SiC) jest bardziej wydajny, lżejszy i mniejszy niż równoważny model z komponentami na bazie krzemu.

Półprzewodniki na bazie węglika krzemu (SiC) mogą pracować w wyższych temperaturach niż tradycyjne półprzewodniki krzemowe (Si) ze względu na ich swoiste właściwości. W ten sposób klient może ograniczyć ponoszone koszty chłodzenia ze względu na mniejsze straty ciepła i zdolność zasilacza awaryjnego (UPS) do pracy w wyższych temperaturach.

W przypadku maksymalizacji dostępnej powierzchni w ośrodku przetwarzania danych, zasilacz awaryjny (UPS) oparty na węgliku krzemu (SiC) ma mniejszy ciężar i wielkość w porównaniu z konwencjonalnymi zasilaczami UPS opartymi na półprzewodnikach krzemowych (Si). Ponadto zasilacz awaryjny oparty na węgliku krzemu wymaga mniejszej powierzchni użytkowej, zwiększając dostępną moc w danym obszarze.

Podsumowanie

Podsumowując, materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC), to nowe półprzewodniki, które wyznaczą nową trajektorię dla energoelektroniki w wymagających aplikacjach, takich jak ośrodki przetwarzania danych. Ich zalety obejmują zwiększoną sprawność systemu, mniejsze wymagania dotyczące układu chłodzenia, działanie w wyższych temperaturach i wyższą gęstość mocy. Dzięki integracji urządzeń zasilających opartych na azotku galu (GaN) i węgliku krzemu (SiC) z przetwornicami napięcia i zasilaczami, operatorzy ośrodków przetwarzania danych realizują cele polegające na osiągnięciu wyższej sprawności, maksymalizacji powierzchni użytkowej i obniżeniu kosztów operacyjnych w całym obiekcie.