Trovare la tecnologia giusta per risolvere la sfida energetica del datacenter

Gli standard globali per le alimentazioni dei datacenter continuano a evolversi verso una maggiore efficienza. Il progetto Open Compute (OCP) 3.0 offre ulteriore ottimizzazione dell'hardware che riduce il consumo energetico, e i requisiti di certificazione 80 Plus Platinum e Titanium così come le normative Ecodesign dell'UE in Europa (ErP) Lot 9 continuano a progredire (Tabella 1). Il prossimo aggiornamento del Lot 9 è già programmato per gennaio 2026.

Con l'aumento della potenza dei processori e dei server, i datacenter stanno utilizzando più energia per rack. Ora necessitano di blocchi discreti da 2-4 kW, con l'industria che si sta orientando verso densità di potenza ancora maggiori.ⁱ Distribuire questa potenza ai livelli di 12 V della prima generazione significa dover gestire correnti molto più elevate. Per fornire 1 kW a un rack server, l'architettura tradizionale a 12 V deve erogare 83 A di corrente. Per controllare le perdite I2R e affrontare le preoccupazioni relative alla sicurezza, sarebbe necessario utilizzare più rame nel cablaggio di un sistema di questo tipo.

Un miglioramento dell'efficienza dell'1% può tradursi in un risparmio di kilowatt a livello di data center, e le architetture di potenza di seconda generazione, che utilizzano 48 V (Figura 1), comportano perdite I2R 16 volte inferiori pur rimanendo al di sotto del limite di sicurezza della tensione extra-bassa (SELV) DC di 60 V dello standard UL-60950-1, oltre il quale sono richiesti ulteriore isolamento, spaziatura e test. Per soddisfare i nuovi requisiti di efficienza energetica, il settore energetico dei data center aziendali sta quindi adottando un'architettura a 48 V.

I sistemi rack di Generazione 2, costruiti come blocchi di potenza discreti da 2-4 kW, sostituiscono i massicci sistemi di Alimentazione Ininterrotta (UPS) ad alta tensione e le Unità di Distribuzione dell'Energia (PDU) della Generazione 1 con UPS più piccoli per rack, alimentati da una sorgente a 48 V DC. Gli alimentatori AC-DC e DC-DC non solo operano ogni scheda server, ma ricaricano anche la batteria dell'UPS. La rimozione della condivisione del carico e della ridondanza presente nella Generazione 1 comporta la necessità che ogni alimentatore funzioni vicino al carico pieno (100%).

Sfide per gli alimentatori dei server

A parte le sfide derivanti dai cambiamenti discussi sopra, vale la pena notare che l'OCP 3.0, Open Rack V.2 (ORV) e le unità di alimentazione elettrica (PSU) per Bitcoin/mining richiedono un passaggio oltre i 2 kW, nella gamma di 3-4 kW. I produttori di rack continuano a richiedere fattori di forma ridotti e profili bassi di 40 mm (altezza), alta densità di potenza, gestione termica efficace e a basso costo, e design EMI per gestire la commutazione ad alta velocità che riduce le dimensioni dei componenti magnetici. Inoltre, vi è la necessità di un controllo completamente digitale e flessibilità progettuale mediante l'uso di MOSFET di potenza montati su una scheda figlia.

Nel considerare le tecnologie dei dispositivi a semiconduttore per affrontare queste sfide, è necessario notare le differenze in termini di bandgap, tensione di rottura critica, mobilità degli elettroni e conducibilità termica, tutti fattori che influenzano la temperatura massima di funzionamento, la tensione, l'efficienza e i requisiti di gestione termica del sistema.

La soluzione per semiconduttori

Sebbene il silicio (Si) sia la tecnologia più conosciuta, il suo bandgap più piccolo limita la temperatura di funzionamento, il suo basso campo elettrico di rottura ne restringe l'uso a tensioni inferiori, e la sua bassa conducibilità termica limita la densità di potenza rispetto ai materiali a largo bandgap, come il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC).

Per ottenere le efficienze richieste nelle alimentazioni dei datacenter, è importante confrontare le perdite di commutazione e di conduzione. La perdita di conduzione, che è la perdita I²R del dispositivo, è inferiore quando la resistenza fra drain e source in stato ON (R_DS(ON)) è bassa e varia meno con la temperatura.

Figure 2 shows normalized RDS(ON) plotted against temperature for the technologies that many designers consider using to meet Gen 2 datacenter PSU requirements — SiC, GaN, and Si Super Junction (SJ). It is interesting to note that both GaN and SJ devices boast a lower R_DS(ON) below 25°C, which are temperatures not quite practical for datacenter power supplies. As datasheets for GaN and SJ devices often specify R_DS(ON) at 25°C, it can mislead engineers into assuming that specification at the much higher operating temperatures for which systems are normally designed.

Un'altra caratteristica interessante da notare in Figura 2 è il cambiamento di RDS(ON) in funzione della temperatura. La curva del SiC rimane quasi piatta e, sebbene le altre tecnologie mostrino entrambe un aumento significativo di RDS(ON), questo cambiamento è particolarmente drammatico per il GaN. Poiché i progettisti devono utilizzare RDS(ON) alle temperature di giunzione reali comprese tra 120°C e 140°C, un dispositivo SiC da 60 mΩ avrebbe un valore "caldo" di 80 mΩ, mentre un dispositivo Si SJ o GaN da 40 mΩ sarebbe realmente significativamente >80 mΩ caldo.

La bassa perdita di commutazione di GaN ≠ bassa perdita totale

L'elevata mobilità elettronica del GaN è la caratteristica che consente la sua nota ed ineguagliabile efficienza a frequenze di commutazione molto elevate. Tra le tecnologie discusse qui, il GaN offre la perdita di commutazione più bassa (Figura 3).

Wolfspeed ha confrontato il proprio dispositivo SiC da 60 mΩ con un dispositivo GaN da 50 mΩ in una simulazione PFC a totem pole, scoprendo che, sebbene il GaN avesse perdite di commutazione leggermente inferiori su tutta la gamma di potenza, qualsiasi vantaggio veniva compensato dall'aumento delle perdite di conduzione con la potenza e, di conseguenza, dall'incremento della temperatura di giunzione. Ciò richiede che i dispositivi GaN siano sovradimensionati per compensare le perdite di conduzione più elevate indipendentemente dalla frequenza di commutazione.

I test sul GaN hanno dovuto essere interrotti a 3 kW a causa delle limitazioni di potenza del dispositivo. Lo studio ha chiaramente dimostrato che il SiC comporta perdite totali significativamente inferiori, soprattutto ai livelli di potenza elevati per i quali l'uso di semiconduttori a larga banda proibitiva è più convincente, come nei data center. Le varie specifiche delle prestazioni a livello di dispositivo delle tre tecnologie di semiconduttori sono confrontate nel grafico radar in Figura 4.

A primo impatto, notiamo che i vantaggi del GaN includono la più bassa carica di recupero inverso Q_rr, che garantisce la minima perdita di commutazione nel modo di conduzione continua (CCM) con un raddrizzatore sincronizzato; la più bassa capacità d'uscita legata al tempo C_oss(tr), che permette un tempo morto ridotto e una frequenza ed efficienza elevate; e la più bassa capacità d'uscita legata all'energia C_oss(er), che consente di minimizzare le perdite di commutazione in topologie a commutazione dura. Si nota che il SiC segue da vicino il GaN in questi attributi, mentre il Si è significativamente indietro.

I vantaggi del silicio includono la più bassa resistenza termica tra giunzione e case R_thjc, che garantisce migliori prestazioni termiche, e la tensione di soglia più alta V_th, che offre una maggiore immunità al rumore e rende i dispositivi Si più facili da pilotare. Nota che il GaN ha una V_th estremamente bassa.

Il massimo punto di giunzione T_{j_max} e l'energia di valanga, singolo impulso E_as indicano la robustezza del dispositivo. Come mostrato, il SiC è il più robusto, mentre il GaN non ha alcuna capacità di E_as. Inoltre, il SiC presenta la variazione più bassa di R_DS(ON) rispetto alla temperatura, riducendo così le perdite di conduzione a temperature elevate. È in questo aspetto che il GaN resta indietro, annullando notevolmente tutti i vantaggi derivanti dalle basse perdite di commutazione.

Insieme, i punti di forza del SiC contribuiscono a fornire la massima efficienza a livelli di potenza più elevati, oltre alle alte densità di potenza richieste per i datacenter aziendali e applicazioni altrettanto impegnative.

Il punto di vista del pacchetto

Da quando Wolfspeed ha sviluppato la tecnologia SiC per una transizione di successo dal Si, molti dei comuni package a montaggio superficiale e a foro passante sono disponibili per i prodotti SiC. Il GaN, invece, affronta sfide uniche per quanto riguarda la standardizzazione dei package.

Ad esempio, il packaging a foro passante per il GaN è raro perché i prodotti devono avere parasitic bassi e permettere un commutazione a frequenze molto elevate per sfruttare al meglio i punti di forza del materiale. Il GaN è spesso offerto in package QFN grandi o package personalizzati. I QFN grandi soffrono di problemi di affidabilità a livello di circuito stampato, mentre i package personalizzati mancano di disponibilità da più fonti e della capacità di attrezzatura presso i subappaltatori.

Le sfide relative ai pacchetti dei dispositivi di potenza GaN non si fermano qui. Altri problemi comuni includono:

Con il mercato che si orienta verso progetti ad alta densità di potenza e vincoli di spazio più rigidi, il package TO-Leadless (TOLL) offre vantaggi come un'altezza ridotta e un ingombro più piccolo, mentre la sua struttura senza piedinature comporta induttanze dei piedini basse, che altrimenti potrebbero diventare un problema a frequenze elevate. La superficie più ampia della linguetta del drain del package affronta le preoccupazioni legate alle prestazioni termiche dei package di dimensioni ridotte.

TOLL è un package relativamente nuovo per il mercato dei datacenter e degli alimentatori di server. Wolfspeed, tuttavia, sta supportando quel mercato con lo sviluppo di prodotti in questa direzione, come ad esempio con nuove varianti del package TOLL per l'alimentazione dei datacenter e dei server.

Un confronto a livello di sistema

Rispetto all'H-bridge basato su Si, il CCM totem pole PFC basato su SiC può offrire non solo una maggiore efficienza, ma anche una densità di potenza superiore a un costo simile o inferiore.ⁱⁱ Un confronto dell'efficienza tra le tecnologie mostra chiaramente che, sebbene sia i CCM totem pole PFC basati su SiC che quelli basati su GaN possano raggiungere un'efficienza >99%, il GaN ha il vantaggio in termini di efficienza solo a carichi molto leggeri. Come discusso in precedenza, la maggiore variazione di R_DS(ON) del GaN in funzione della temperatura (Figura 2) si traduce nella sua curva di efficienza che cala drasticamente a potenze/carichi elevati. In applicazioni, come i datacenter, che operano a pieno carico o quasi 24/7, il GaN non riesce quindi a soddisfare i requisiti di efficienza.

Il SiC, invece, offre un'efficienza simile a quella del GaN a metà carico e una migliore efficienza a pieno carico (Figura 6).

Osservando più ampiamente per includere la densità di potenza, il numero di componenti e il costo relativo dei PFC a CCM totem pole basati su SiC e GaN (Tabella 2), si nota che il SiC è migliore rispetto al GaN non solo in termini di efficienza nelle applicazioni ad alta densità di potenza, ma anche in termini di complessità del pilotaggio del gate, controllo e costo.

Tabella 2: Analisi della topologia e dei componenti dei PFC senza ponte basati su Carburo di Silicio e GaN.

In un altro confronto tra i progetti dimostrativi a banda larga nel mondo reale di varie aziende, Wolfspeed SiC mostra chiari vantaggi (Tabella 3). Alcuni punti chiave da notare sono:

Soluzione da 3,6 kW di Wolfspeed

Il nuovo progetto di riferimento PFC a polo totem da 3,6 kW di Wolfspeed (Tabella 3, ultima riga) è pensato per risolvere la sfida dell'alimentazione dei datacenter e dei server con un'efficienza >99% a metà carico e >98,5% a pieno carico, soddisfacendo i requisiti 80 Plus Titanium e ErP Lot 9.

Il design offre anche la flessibilità di sacrificare parte dell'elevata efficienza per ottenere un costo più basso, rispettando comunque gli standard di efficienza menzionati sopra (Tabella 4). L'opzione a costo inferiore sostituisce due dei MOSFET nella parte a bassa frequenza (LF) del design con diodi, mantenendoli invece nella parte ad alta frequenza (HF).

Un concetto di design a due schede figlie offre ai clienti la flessibilità di scegliere l'opzione giusta in base alle priorità di progettazione del loro sistema.

Nello sviluppo di tali soluzioni, Wolfspeed utilizza la sua vasta esperienza nella costruzione di un ampio portafoglio delle soluzioni SiC e GaN su SiC più testate sul campo presenti sul mercato. Con un team di semiconduttori che comprende al meglio i punti di forza e il potenziale futuro di entrambe le tecnologie, Wolfspeed è unicamente qualificata per individuare la tecnologia più adatta a qualsiasi applicazione specifica.

ⁱWiWynn Corp., et al, 48V: Un sistema di distribuzione dell'energia migliorato per i datacenter (http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)
ⁱⁱWolfspeed, et al, Il Carburo di Silicio abilita l'evoluzione PFC, 17 agosto 2020 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)