高功率密度與高可靠性：打開尚陽通布局服務器、數(shù)據(jù)中心的“武器庫”
View: 2023 / Time: 2022-03-07
二月底，我國從國家戰(zhàn)略、技術發(fā)展、能源政策等多方面出發(fā)，在“新基建”的大背景下，啟動了一項至關重要的國家工程——“東數(shù)西算”工程，首次將算力資源提升到水、電、燃氣等基礎資源的高度，統(tǒng)籌布局建設全國一體化算力網(wǎng)絡國家樞紐節(jié)點。
目前我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模已達500萬標準機架，算力達到130EFLOPS（每秒一萬三千億億次浮點運算），ICT research研究顯示，當前中國數(shù)據(jù)中心每年新增投資規(guī)模在1800—2000億元人民幣左右。可以預見，有“東數(shù)西算”這一算力基礎設施化的高瞻遠矚，我國服務器和數(shù)據(jù)中心建設將別開生面。功率半導體為電力供應提供“血液”和“脊髓”，這一領域誕生了很多高級玩家，如大陸的長城、歐陸通以及我國臺灣地區(qū)的臺達、光寶、群光等企業(yè)。打開該賽道的活躍者和極為重要的參與者的“群芳譜”，我們發(fā)現(xiàn)其中還有一個重要的名字——深圳尚陽通科技有限公司（以下簡稱“尚陽通”）。集微網(wǎng)就尚陽通在服務器和數(shù)據(jù)中心這一重要細分應用場景中的技術探索、市場布局、生態(tài)建設以及一站式解決方案等問題，專訪了尚陽通公司高壓事業(yè)部副總王彬。
服務器與數(shù)據(jù)中心的獨特性與尚陽通的“武器庫”
如前所述，在“東數(shù)西算”這一頂層設計的驅動下，國內的數(shù)據(jù)中心和服務器市場處于快速增長期，終端互聯(lián)網(wǎng)公司、大型企事業(yè)單位都有大量自建數(shù)據(jù)中心的需求。考慮到數(shù)據(jù)中心和服務器電源中會有大量功率器件需求占比，勢必會推動該應用場景對功率半導體需求的爆發(fā)式增加；同時數(shù)據(jù)中心是耗能大戶，對服務器電源的效率要求越來越高，也對半導體器件的性能有了更深層次的標準制定體系，其次對可靠性、長期工作壽命有明確的規(guī)定性，也對半導體器件提出了更高的本質要求。目前，尚陽通在大陸的主要服務器電源客戶中，已經(jīng)批量供貨，終端客戶包括了像字節(jié)跳動、百度等明星級的互聯(lián)網(wǎng)公司。有關服務器和數(shù)據(jù)中心市場在功率半導體的獨特性“落地”需求，王彬對集微網(wǎng)做了較為全面的分析。毫無疑問，大型服務器和數(shù)據(jù)中心對功率半導體的性能匹配度絕對高于移動端或者桌面服務器等消費類產品，這主要體現(xiàn)在這樣兩點：“首先，大型的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)無法承受斷電這種突發(fā)狀況，需要持續(xù)供電；其次服務器和數(shù)據(jù)中心的CPU能源供給時常會面臨從不運行到極短時間內滿載的狀況。從空載到滿載，這個時間差是極為短暫的，長的話以毫秒為單位，短的話可能也就是幾個微秒，這對瞬態(tài)的功率循環(huán)要求是非常高的。”籠統(tǒng)地講，大型服務器和數(shù)據(jù)中心的功率半導體性能屬于工業(yè)級別，其對穩(wěn)定性和可靠性，包括對環(huán)境耐受度的性能要求介于較低的消費級和較高的車規(guī)級之間，但王彬特別點出，功率器件性能需求必須要緊密結合應用場景來判斷，而不能抽象地下結論：“按照一般認知，數(shù)據(jù)中心對功率半導體的應用可靠性比車規(guī)級低一些，但數(shù)據(jù)中心服務器電源后端直接就是CPU運算單元，它對可靠性的要求仍然比一般的工業(yè)級的其他應用要高很多，從空載到滿載如此短暫的過程對功率器件的冷熱循環(huán)沖擊是非常高的，對這方面的性能需求比汽車應用還要高。”找準應用場景的“痛點”，尚陽通就可以進一步對應用場景所需的技術knowhow開出精準的布局“藥方”。相比于通信電源、車用以及智能家居，尚陽通在切入數(shù)據(jù)中心和服務器市場賽道時，所積累的高端功率半導體器件的研發(fā)和生產得到了大顯身手的機會。在這片獨特的“戰(zhàn)場”上，尚陽通一直采用領先的超結MOS技術，SGT MOS技術；其產品更匹配適用于高效、高功率密度、高可靠性的電源應用場合，近乎完美地滿足了數(shù)據(jù)中心服務器電源對可靠性和能效的要求。數(shù)據(jù)中心往往需要大量的電力，對電源能效和可靠性的要求也比較高，尚陽通圍繞這一難點，在推出高壓SJMOS時的設計研發(fā)，深度考慮了客戶的實際應用需求，采用國內最先進的技術工藝代，可以提供客戶最新代的產品，而且尚陽通的高壓SJMOS具有更低的導通電阻和更優(yōu)化的結電容曲線。縱觀功率半導體各類細分市場，碳化硅在服務器電源中的應用相對比較早。得益于碳化硅極小的反向恢復損耗（其相較于普通FRD產品），SiC SBD較早便取代了PFC中的硅二極管，顯著提高了PFC的效率，一般情況下，SiC二極管極大降低了反向恢復損耗，可以提升電源效率1-2%。對此，尚陽通設計的SiC SBD，繼承了動態(tài)上無反向恢復的優(yōu)勢，同時降低了高溫VF 特性，可以進一步提高電源效率；同時具有更好的浪涌能力，滿足客戶在雷擊瞬態(tài)的安全要求。除此之外，大型數(shù)據(jù)中心電源管理要求高冗余或高容量特性，尚陽通Oring MOS在解決這個問題時也有著很強的市場競爭力。對此，王彬闡述：“Oring MOS是服務器電源輸出端的非常關鍵的器件——是整個系統(tǒng)中電源最后一個安全管理器件。尚陽通30V產品在服務器電源上應用，得到了客戶非常高的評價，產品非常皮實耐用。尚陽通設計的產品具有高可靠，高耐受沖擊的考量，使得客戶在異常使用環(huán)境中得到了很好的保護。”綜上所述，尚陽通在服務器電源中可以提供高壓超結MOS、中低壓SGTMOS、SiC SBD等全套功率器件解決方案，產品的設計均面對高端電源客戶。尚陽通在一站式解決方案布局總體規(guī)劃中的殺手級產品很多，頗能體現(xiàn)產品性能之處還包括對后道封裝的匠心級別的考量。“目前我們用在服務器和數(shù)據(jù)中心的產品在封裝方面上量最大的還是TO封裝，以TO247和TO220傳統(tǒng)插件封裝為代表。現(xiàn)在我們也在往一些表貼化封裝方向發(fā)展，另外我們還有DFN 8×8和5×6這種形式，可以降低我們器件產品的寄生電感，有利于提高客戶的功率密度和效率。表貼式封裝適用于更高端和更高功率密度的電源管理器件，這種形式的體積也相對更優(yōu)，生產也更容易，可以機械化大規(guī)模生產，相比之下，TO封裝則需要人工參與”。有關這一點，王彬對集微網(wǎng)做了詳細地闡述。
未來大型數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)面臨變革，尚陽通保持戰(zhàn)略定力
電源能效和可靠性可能是數(shù)據(jù)中心行業(yè)最重要的議題。王彬指出：“從電網(wǎng)到傳統(tǒng)的AC-UPS，再到服務器電源和后端的板上電源，最終到CPU這樣的一個供電鏈條，整體的效率加合在一起，估計有50%-70%的能效可以真正到達CPU端，換言之，大約30%-50%的能耗是損耗在中間電路上的，這是業(yè)界一直在希望數(shù)據(jù)中心可以做優(yōu)化和解決的。”目前，國內數(shù)據(jù)中心內應用最廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路三部分電路組成。面對傳統(tǒng)UPS效率低、可靠性差、靈活性和擴展性差的問題，很多國內外大型互聯(lián)網(wǎng)公司正在不斷探索分布式不間斷電源系統(tǒng)。那么，未來數(shù)據(jù)中心供電發(fā)展布局的變革會對服務器和數(shù)據(jù)中心的功率半導體器件性能需求產生哪些影響？對此，王彬分析：“影響會有一些，但這種變化不會對數(shù)據(jù)中心的電源管理器件的需求產生非常本質的差異。很多大型互聯(lián)網(wǎng)公司在不間斷電源和服務器中間的AC端做耦合，比如阿里采用了將高壓配電柜、變壓器、HVDC等設備高度集成化，搭建了DCUPS他們稱之為‘巴拿馬’系統(tǒng)，化繁為簡，在系統(tǒng)架構和占地空間上做了優(yōu)化，整體上對功率器件的需求并沒有本質的差異；另一點，很多數(shù)據(jù)中心客戶也在優(yōu)化散熱方式，采用了液冷等等，雖然供電系統(tǒng)的架構在變化，但對功率半導體的性能包括用量，都不會有非常突出的區(qū)別”。
如果說算力正成為我國在新發(fā)展格局下衡量經(jīng)濟狀況的“晴雨表”，那么電力的供應則是算力背后的血液和骨骼，相應地，高效能、低功耗、智能化的電源管理解決方案則精確指示著血液和骨骼的健康度。服務器和數(shù)據(jù)中心的能耗管理和數(shù)據(jù)安全牽扯到很多諸如“雙碳”、大數(shù)據(jù)安全等國家級的頂層設計，因而，尚陽通在此細分市場的布局慎重穩(wěn)健，步步為營，久久為功。王彬透露：“目前我們公司在服務器和數(shù)據(jù)中心領域的布局，無論從研發(fā)還是營收上都占了公司的很高比例，對這樣一個和數(shù)據(jù)信息緊密相關的產業(yè)，我們付出了很多精力，也是積極響應國家的‘雙碳’號召的一種體現(xiàn)。”在算力基礎設施越來越變成公共服務的大趨勢下，可以預見，尚陽通在數(shù)據(jù)中心功率半導體的研發(fā)和布局天地無限廣闊，未來大有作為。
