AI數據中心，轉向800V直流電力架構

一座AI工廠可集成數千塊GPU，功耗水平達到兆瓦級。

人工智能模型的廣泛應用正推動數據中心基礎設施迎來重構。傳統數據中心正逐步被 “AI工廠” 取代，這類設施專為滿足當今機器學習和生成式AI工作負載對計算能力與電力供應的需求而設計。

傳統數據中心依賴以CPU為核心的架構，支撐云計算、數據存儲及通用計算需求。然而，隨著大型語言模型和生成式AI應用的問世，該架構已無法跟上AI模型對計算能力、功率密度及供電效率日益增長的需求。

相比之下，AI工廠是為機器學習模型的大規模訓練、推理和微調量身打造的專用設施。一座AI工廠可集成數千塊GPU，功耗水平達到兆瓦級。根據國際能源署（IEA）的報告，全球數據中心耗電量預計將從2024年的約 415 太瓦時（TWh）增至 2030 年的約 945 太瓦時，占全球總耗電量的比重接近 3%。

僅通過簡單升級數據中心，已無法滿足如此龐大的電力需求。因此，必須引入一種兼具高效率與高功率密度的新型架構。借鑒汽車行業已有的技術趨勢，英偉達在2025年臺北國際電腦展（Computex 2025）上推出了800V直流（800-VDC）供電架構，旨在高效支撐下一代AI工廠計算機架所需的兆瓦級電力需求。

AI工廠的電力需求特征

AI工廠的電力需求與傳統數據中心存在顯著差異。由于部署了大量GPU，AI工廠的架構需滿足高功率密度、低延遲和大帶寬三大核心要求。

為最大化計算吞吐量，需在更小空間內集成更多 GPU，并通過高速銅質鏈路實現互聯。這不可避免地導致單機架功耗大幅攀升，傳統數據中心單機架功耗僅數十千瓦，而AI工廠單機架功耗可達數百千瓦。

若采用 12 伏、48 伏、54 伏等傳統低壓供電軌傳輸如此高的電流，在技術和經濟上均不現實。如以下公式所示，電阻損耗（Presistive loss）隨電流平方呈指數增長（P= V × I = R × I2），這會導致效率顯著下降，且需要使用橫截面積極大的銅質連接線。

為實現多GPU間的高速互聯，英偉達研發了 NVLink 點對點互聯系統。該系統已迭代至第五代，支持數千塊GPU共享內存和計算資源，協同完成訓練與推理任務，仿佛運行在同一地址空間內。

基于 Blackwell 架構的單塊英偉達 GPU支持多達18個NVLink 連接，速度為 100 GB/s，總帶寬達 1.8 TB/s，是上一代產品的2倍，較 PCIe Gen5 高出14倍。

800V直流供電架構

傳統數據中心的配電系統通常包含多級級聯的電力轉換環節，包括市電中壓交流（MVAC）、低壓交流（LVAC）、不間斷電源（UPS）和配電單元（PDU）。在 IT 機架內部，多個電源供應單元（PSU）先完成AC-to-DC轉換，再在計算托盤上進行最終的DC-to-DC轉換（如 54 伏直流轉 12 伏直流）。

這種架構效率低下，主要源于三方面問題：一是每級轉換都會產生損耗，限制整體效率；二是低壓供電軌需傳輸大電流，要求配備大型銅質母線和連接器；三是三相交流電源的管理（包括相位平衡和無功功率補償）設計復雜。

相比之下，采用800V直流供電主干網可最大限度降低 I2R 電阻損耗。將行業標準高壓上限翻倍至800V直流后，系統在輸出相同功率的情況下，電流可減半（P = V × I）。對于給定導體電阻，電力損耗可降至原來的四分之一。

采用該方案后，下一代AI工廠將在IT數據大廳外設置集中式一級交流 - 直流轉換系統，直接將中壓交流轉換為穩定的800V直流母線電壓。隨后，800伏直流可通過更簡潔的雙導體直流母線槽（正極和回路）直接分配至計算機架，省去了交流開關設備、低壓交流 PDU 以及機架內效率低下的交流 - 直流電源供應單元。

英偉達的Kyber機架架構專為適配這種簡化母線設計。機架內的電力轉換簡化為單級高比率直流 - 直流轉換（800伏直流轉GPU所需的 12 伏直流軌），通常采用高效的 LLC 諧振轉換器。這種后端轉換方式最大限度減少了電阻損耗，為機架內計算設備騰出更多空間，并改善了熱管理效果。

該方案還能在現有基礎設施基礎上，將單機架供電能力從當前的 100 千瓦擴展至 1 兆瓦以上，確保AI工廠的供電基礎設施能夠滿足未來GPU能耗增長的需求。

此外，800V直流架構還能緩解同步AI工作負載的波動性。這類負載具有短時高功率尖峰特征。機架附近部署的超級電容器可衰減亞秒級峰值，而連接至直流母線的電池儲能系統則能應對秒級至分鐘級的功率波動，使AI工廠的電力需求與電網穩定性要求解耦。

寬禁帶半導體的核心作用

800V直流架構的落地，可充分借助碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導體的卓越性能與效率優勢。

碳化硅 MOSFET 是高壓前端轉換環節的首選技術。碳化硅器件的額定電壓通常為 1200 伏及以上，在該電壓等級下，即便工作在中等開關頻率，也比硅基器件具有更高的擊穿電壓和更低的導通損耗。其成熟度和穩定性使其成為數據中心主電源輸入環節的理想選擇。

而GaN HEMTs適用于 IT 機架內的高密度、高頻直流 - 直流轉換環節（如800V直流轉 54 伏直流或 54 伏直流轉 12 伏直流）。氮化鎵的材料特性使其開關頻率可達到兆赫茲級別。

這種高頻工作特性允許使用更小的無源組件（電感器和電容器），從而減小轉換器的尺寸、重量和體積。基于氮化鎵的轉換器已實現超過 4.2 kW/l的功率密度，確保必要的電力轉換環節能夠適配GPU負載附近有限的物理空間，最大化計算能力與供電效率的比值。

市場成熟度與產業鏈支持

元器件制造商、系統集成商和硅基器件供應商等半導體企業，正與英偉達積極合作，開發涵蓋碳化硅、氮化鎵及專用硅基元器件的完整產品組合，為800V直流架構的轉型提供供應鏈支持。

例如，專注于先進氮化鎵解決方案的EPC公司推出 EPC91123 評估板 —— 這是一款緊湊型氮化鎵基 6 千瓦轉換器，專為新興AI數據中心向800V直流配電轉型而設計。

該轉換器采用輸入串聯 - 輸出并聯（ISOP）配置的 LLC 拓撲結構，將800V直流降壓至 12.5 伏直流。其氮化鎵設計實現了高功率密度，占地面積不足 5000 平方毫米，高度僅 8 毫米，非常適合高密度封裝的服務器主板。將轉換環節靠近負載部署，可減少電力損耗并提升整體效率。

同時提供碳化硅和氮化鎵器件的納微半導體也與英偉達合作，為新興的 Kyber 機架平臺開發800V直流架構。該系統采用納微半導體的 GaNFast、GaNSafe 和 GeneSiC 技術，提供適配高負載AI工作負載的高效、可擴展供電方案。

納微半導體推出了采用雙側冷卻封裝的 100 伏氮化鎵場效應晶體管，適用于GPU電源板上的低壓直流 - 直流轉換環節；同時推出了全新系列的 650 伏氮化鎵場效應晶體管和 GaNSafe 功率集成電路，集成了控制、驅動、傳感和內置保護功能。此外，基于該公司專有溝槽輔助平面技術的 GeneSiC 器件，電壓范圍覆蓋 650 伏至 6500 伏（為行業最寬范圍之一），已應用于多個兆瓦級儲能系統和并網逆變器項目。

AOS也提供適用于AI工廠800V直流架構高要求電力轉換環節的元器件組合。其中，第三代 AOM020V120X3 和頂側冷卻型 AOGT020V120X2Q 碳化硅器件，均適用于電源側掛配置或單級系統 —— 可在數據中心邊緣直接將 13.8 千伏交流電網輸入轉換為800V直流。

在機架內部，AOS 通過其 650 伏和 100 伏氮化鎵場效應晶體管系列支持高密度供電，高效將800V直流母線降壓至GPU所需的低壓軌。

此外，該公司的 80 伏和 100 伏堆疊裸片 MOSFET 與 100 伏氮化鎵場效應晶體管采用統一封裝尺寸。這種通用性使設計人員能夠在 LLC 轉換器的次級環節以及 54 伏至 12 伏母線架構中，靈活平衡成本與效率。AOS 的堆疊裸片封裝技術進一步提升了次級 LLC 插槽的可實現功率密度。

其他半導體企業也宣布已做好支持800V直流供電架構轉型的準備，包括瑞薩電子、英諾賽科、安森美半導體、德州儀器以及英飛凌科技。

德州儀器近期發布了一款 30 千瓦AI服務器供電參考設計。該設計采用兩級架構，以三相三電平飛跨電容功率因數校正（PFC）轉換器為核心。根據系統需求，該單元可配置為輸出統一的800V直流，或拆分為多個隔離輸出。

英飛凌除了提供 CoolSiC、CoolGaN、CoolMOS 和 OptiMOS 系列功率器件外，還推出了 48 伏智能電子保險絲（eFuse）系列和熱插拔控制器參考板，專為AI數據中心的 400 伏和800V供電架構設計。這一方案使開發人員能夠設計出可靠、穩健且可擴展的解決方案，實現對能量流的保護與監控。

該參考設計以英飛凌的 XDP 熱插拔控制器為核心。在適用于直流母線的高壓器件中，1200 伏 CoolSiC JFET 在低導通電阻和熱插拔工作穩定性之間實現了出色平衡。結合該碳化硅 JFET 技術，數字控制器可驅動器件工作在線性模式，確保電源系統在過壓條件下仍保持安全穩定。該參考板還允許設計人員根據器件的安全工作區編程設置浪涌電流曲線，支持 12 千瓦的額定熱設計功率（TDP）。

*聲明：本文系原作者創作。文章內容系其個人觀點，我方轉載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯系后臺。