英伟达与数据中心电力电子技术的未来 [行业动态]

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：NVIDIA and the Future of Power Electronics in Datacenters [Industry Pulse]

　　自ChatGPT发布以来的三年里，人们对人工智能（AI）特别是大型语言模型（LLMs）的兴趣激增——这不仅推动了创新，还引发了大量讨论和资金流动。仅在美国，市值排名前五的公司（英伟达、苹果、谷歌、微软和亚马逊）都与AI密切相关，并占据了美国总市值的四分之一以上。近年来，与新一代数据中心相关的投资金额和容量预测都达到了惊人的水平，这些数据中心旨在支持下一代AI技术的发展。尽管最近几个月关于这些数字是否预示泡沫的讨论有所增加，但目前毫无疑问，人们正在投入大量精力来开发新一代专注于AI的数据中心，尤其是在电源电子技术领域。2011年，一个名为Open Computer Project（OCP）的开源联盟成立。该项目最初是Facebook内部的一个工作组，旨在通过共享数据中心设计来简化供应链[1]，这种做法类似于特斯拉首先推出400V充电器的策略，迫使其他制造商（至少在美国）也随之效仿[2]。如今，OCP维护着与数据中心设计相关的多项标准，其中包括促使系统电压从12V提升到48V（甚至54V）的标准。这一变化使得新数据中心能够提供更高的功率输出（从3.2kW提高到3.6kW），以满足各种应用的需求。

2026年，我们可以看到为支持AI的超大规模数据中心所需的电力超过了1MW，同时这些数据中心还具备更高的利用率（运行时间）和其他严格的要求。世界上最大的科技公司也在这场变革中发挥了重要作用。去年，您可能已经看到了相关新闻：“英伟达800V直流架构将驱动下一代AI数据中心”的报道[3]。在这篇文章中，我们将探讨背后的技术和创新，以及值得关注的公司和市场动向。截至本文撰写时，英伟达已经占据了超过90%的GPU市场份额（不仅仅是AI领域）。这一主导地位使他们在塑造数据中心生态系统的未来方面占据了优势。去年5月，英伟达将18家涵盖从半导体到系统的公司列为“关键行业合作伙伴”[3]，并在2025年10月的OCP全球峰会上又新增了11家公司并发布了相关白皮书[4]。这些合作伙伴发布了大量内容，从简短的新闻稿到完整的参考设计，其中大多数都展示了可能的解决方案（见表1）。这些合作伙伴的产品涉及多种技术和专业领域。

从宏观角度来看，白皮书解释了改变机架电压的必要性：在更高功率需求下，减少电力损耗至关重要；同时，系统设计的复杂性也发生了根本性的变化，从而实现了更高效的建设方式。图1展示了这些系统的简化框图，重点介绍了本文讨论的电源电子技术。图1显示了从电网到12V直流电的电压转换过程：(a) 当前的标准是415V或480V交流电；(b) 基于英伟达白皮书的下一代800V直流电方案。

英伟达的论文提出了三种基于现有数据中心设计的系统方案：(a) 对现有的415/480V交流电数据中心进行改造，通过整流将其转换为800V直流电；(b) 综合使用整流技术和其他组件调整布局；(c) 完全重新设计，直接将电网交流电转换为800V直流电（见图1b）。长期来看，论文还预测未来可能会需要1500V的电压。值得注意的是，当前AC-DC转换和固态变压器（SSTs）方面的一些趋势：传统的变压器将电网交流电降压到415V或480V交流电后，再由不间断电源/主配电板转换为直流电。随着向800V直流电的转变，设计师有了更多的电压转换方式选择。虽然传统的变压器加整流器的方案仍然可行，但固态变压器的创新可以实现更小的外形尺寸。例如英飞凌、Navitas、GE Vernova和Rohm等公司计划使用碳化硅（SiC）制造SST；Delta和Heron Power的产品已经上市，其中Delta的产品明确采用SiC技术。尽管SST技术自20世纪80年代就已存在，但由于SiC供应过剩，这项技术有望在光伏、直流快充和其他可再生能源项目中得到更广泛应用。

在DC-DC转换方面，目前的415V交流电服务器使用48-54V直流电轨，这些电压再进一步转换为12V及更低电压以供电源管理和计算设备使用。随着电压升至800V，设计师在转换策略和中间总线电压选择上有了更多可能性。多数解决方案采用GaN材料。图2总结了各供应商发布的技术文档中的提议。尽管各公司的具体细节有所不同，但所有详细方案均基于GaN技术（Rohm公司提出了一种1200V SiC方案，未来方案将使用650V GaN）。大多数方案采用650V/700V GaN和三相/两级交错拓扑结构，实现16:1的电压转换，以适应无法承受800V电压的设备。EPC公司使用150V GaN产品实现了直接转换为12V的转换。PowerIntegrations则使用他们最近推出的1250V单半桥GaN产品实现64:1的转换。

预计未来AI超大规模数据中心的可用性将超过目前典型的99.98%。英伟达的提案提到了几种有助于实现这一目标的电源电子技术：热插拔技术（如ADI、Richtek和TI的产品）、固态断路器（SSCBs）以及不间断电源（UPS）。热插拔技术允许在不移除或损坏系统的情况下更换组件；英飞凌的SiC JFET技术作为一种限制电流的选项；固态断路器比传统机械断路器更快更精确。NVIDIA的白皮书还将这种组件应用于800V总线上。

AI超大规模数据中心所需的运行时间预计将超过目前的99.98%。英伟达的提案中提到了几种电源电子技术：热插拔技术使组件可以物理移除而无需重启系统；ABB的Reverse Blocking集成栅极换流晶闸管（IGCT）技术可在特定应用中限制电流；此外，NVIDIA还提出了使用1500A连接的800V总线方案。

尽管许多细节尚未确定，但这些领域的创新竞争仍在激烈进行。随着半导体供应链的波动，尤其是在中美之间的贸易紧张关系下，我们将密切关注美国以外地区是否会出现不同的解决方案或标准。英伟达在中国市场的份额已降为零，这可能促使华为等企业制定自己的标准。此前我们已经讨论过不同国家如何独立制定电动汽车充电电压标准[2]——特斯拉在美国树立了标准，但中国电动汽车市场的增长超出了其影响范围。中国拥有全球最大的电动汽车和充电网络份额，BYD去年推出了1kV直流快充平台[8]。因此，尚不清楚英伟达将如何影响这个没有其立足点的市场，或者800V电压是否会因其他应用而成为行业标准。总之，英伟达的白皮书指出，正是电动汽车市场对800V电压的采用推动了数据中心对800V电压的需求。

对研发和基础设施的投资将推动整体GaN市场的发展，也许还会推动尚未大规模应用的SiC市场领域（如JFET或耐压超过1200V的设备）。Trendforce预测，到2030年，SiC和GaN在数据中心中的采用率将从今年的17%增加到30%。至于所谓的AI泡沫，虽然上一波技术热潮（如电动汽车）过早消退，但汽车用SiC和800V设计等技术仍然受益于先前积累的势头，推动了本文讨论的下一代技术的发展。虽然SST和SSCB等概念并不陌生，但它们此前并未像SiC和下一代数据中心那样同时受益于技术和市场的双重推动。请继续关注这一关键且令人兴奋的技术发展动态。