AIアプリケーションのニーズに応えるための電力変換効率の向上

AIデータセンターが直面する電力課題

電力は現代社会と経済運営の中核を成しており、電気自動車や人工知能アプリケーションへの需要が増加する中、その重要性はますます高まるでしょう。発電は現在、世界最大の二酸化炭素（CO2）排出源となっていますが、太陽光や風力発電などの再生可能エネルギー源を急速に拡大することで、ネットゼロ排出への移行を促進することができます。消費者が安全かつ手頃な価格で電力を利用し、世界的な二酸化炭素排出量を削減することは、エネルギー移行における主要な課題の一つです。

国際エネルギー機関（IEA）によると、データセンターは2022年に全電力の約2%を消費し、それは約460テラワット時（TWh）に相当します。暗号通貨や人工知能/機械学習（AI/ML）などのエネルギー集約型アプリケーションの増加に伴い、この数字は急速に増加すると予測されています。この電力消費の急増は、これらの技術における高性能グラフィックス処理ユニット（GPU）の配備に基づいています。IEAは、2026年までにデータセンターが少なくとも650TWhを消費すると予測していますが、1,000TWhを超える消費もあり得ない話ではないとしています。

人工知能の分野での成長率は非常に驚くべきものです。ChatGPTは、最初の5日間で100万人のユーザーに達し、最初の2か月で1億人のユーザーに達しましたが、その成長速度はTikTokやInstagramを大きく上回っています。1.7兆のパラメータを持つGPT-4のトレーニングでは、13兆トークンを使用し、25,000台のNVIDIA A100 GPUが必要とされ、各サーバーが約6.5 kWを消費します。OpenAIによれば、このトレーニングには100日、50 GWhの電力、そして1億ドルの費用がかかったとのことです。

初期のデータセンターでは、グリッド電圧を中央で12Vに変換し、サーバーに配電して論理レベル変換（3.3V/5V）を行っていました。しかし、電力要求が増加するにつれて、この方法では損失が増加してしまいました。そのため、バス電圧が48Vに増加され、電流が4倍減少し、損失は16倍減少しました。

プロセッサの電圧が3.3Vを下回り、サブボルトレベルまで低下すると、比較的高い電力で複数の電圧レールが必要となりました。これにより、2段階の変換プロセスが導入され、DC-DCコンバータ（中間バスコンバータ (IBC) として知られるもの）が48Vを12Vのローカルバスに変換した後、さらに低い電圧への変換を行います。

AIデータセンターに必要な効率的な電力変換

AIデータセンターの電力変換要件は、高性能コンピューティングおよび広範なデータ処理の需要によって特に重要です。AIデータセンターは大量のデータと複雑な計算タスクを処理する必要があるため、高効率かつ高密度の電力変換システムが必要となります。効率的な電力コンバーターによりエネルギー損失が削減され、結果としてシステム全体の性能と効率が向上します。

データセンターの運用には、高い安定性と信頼性を備えた電力供給が必要です。電力コンバーターは、サーバーやその他の機器が正常に動作するために、さまざまな負荷条件下で安定した電圧と電流を供給する必要があります。また、効率的な電力変換システムにより発熱を抑えることができますが、効果的な熱管理も依然として必要です。最適化された熱設計は、システムの温度を安全な範囲内に維持し、これにより機器の寿命を延ばし、性能を向上させます。

AIアプリケーションが急速に発展するにつれて、データセンターへの要求が継続的に増加しています。電力変換システムは、今後の拡張ニーズに柔軟に対応できるよう、高いスケーラビリティを備える必要があります。特に、AIデータセンターの大幅なエネルギー消費を考慮すると、エネルギー効率管理は運用コストと環境への影響を削減するための重要な要素です。効率的な電力変換装置は、エネルギー消費を大幅に削減し、エネルギー利用効率を向上させることができます。

データセンターの高可用性を確保するために、電力変換システムは通常、潜在的な電力障害に対応できる冗長設計が必要です。冗長設計は、主要な電力供給源が故障した際に迅速に切り替えることで、バックアップ電力を提供し、システムの継続的な運用を実現します。さらに、環境への意識が高まる中、多くのデータセンターが太陽光や風力などのグリーンエネルギー源を取り入れ始めています。効率的な電力変換システムは、これらの再生可能エネルギーをより効率的に統合し、全体的なエネルギー効率を向上させ、炭素排出量の削減に寄与します。

電力変換プロセス中、電力損失は避けられない現象です。これらの損失はエネルギーの浪費を引き起こし、費用がかかり、さらに管理が必要な熱を発生させます。120 kWのラック電力を必要とするハイパースケールAIデータセンターを運用する場合、電力網からGPU電圧への変換効率は約88%であり、その結果として15 kWの廃熱が発生し、それを液体冷却によって管理しなければなりません。

効率と電力密度（密接に関連しています）は、サーバー電源設計における重要な要素です。主電源網からのエネルギーは、損失を最小限に抑えながら有効な電力に変換される必要があります。これを達成するためにトポロジーは絶えず進化しており、同期整流のような技術が開発され、整流器では損失の多いダイオードがMOSFETに置き換えられています。

トポロジの向上は成功への戦いの半分に過ぎません。効率を最適化するためには、すべてのコンポーネントができるだけ効率的である必要があります。特に変換プロセスにおいて重要なMOSFETが該当します。MOSFETは損失のないデバイスではありません。導通およびスイッチング時に損失が生じます。サイズを削減するために、サーバーの電源装置が高周波動作へ移行するにつれ、スイッチング損失が改善の重要な焦点となります。

効率的なonsemi PowerTrench® MOSFET

シリコンMOSFETは、ゲート電圧を通じてソース端子とドレイン端子間の電流を制御します。その効率性、速度、電力ハンドリング能力により、電力増幅器、電圧レギュレータ、スイッチング回路で広く使用されています。onsemiの低〜中電圧T10 PowerTrench® MOSFETは、最新のシールドゲートトレンチ技術を採用し、スイッチング損失と導通損失を削減し、著しく低いQgと1mΩ未満のR_DS(ON)を実現します。業界をリードするソフトリカバリボディダイオードは、リンギング、オーバーシュート、ノイズだけでなくQrr損失も低減し、高速スイッチングアプリケーションにおいて性能とリカバリのバランスを取ります。従来のデバイスと比較して、これらの新しいMOSFETはスイッチング損失を最大50%、導通損失を30%以上削減できます。

onsemiの新しい40Vおよび80V T10 PowerTrenchデバイスは、クラス最高のR_DS(ON)を提供します。NTMFWS1D5N08X（80V、1.43mΩ、5mm x 6mm SO8-FLパッケージ）とNTTFSSCH1D3N04XL（40V、1.3mΩ、3.3mm x 3.3mmソースダウンデュアルクールパッケージ）はクラス最高のFigure of Merit（FOM）を特長としており、AIデータセンターアプリケーションの電源装置（PSU）や中間バスコンバーター（IBC）に適しています。T10 PowerTrench MOSFETは厳しいOpen Rack V3効率規格を満たし、97.5%以上の効率を要求する条件を達成します。

低/中電圧MOSFETの高性能化

onsemiにより導入された低・中電圧MOSFET、具体的にはNTMFWS1D5N08Xは、STDゲートを備えた単一NチャネルMOSFETで、SO8FL-HEFETパッケージを使用しています。これらは80V、1.43mΩ、253Aをサポートします。このT10 80V MOSFETは、80V市場で最高クラスの製品の一つであり、クラウド電源、5G通信、その他のPSUアプリケーション、DC/DC、および産業用アプリケーションに最適なソリューションとなります。より良い性能を提供し、システム効率と高電力密度を向上させますが、性能機能は低めです。

NTMFWS1D5N08Xは、FOM、Rsp、電力密度の改善により、性能を向上させつつコストを削減します。低いRsp、低いQg/Qgd、および低いQgd/Qgsは、ドライバーの損失を最小限に抑えることで全体的な効率を向上させることができます。低いR_DS(ON)は伝導損失を最小限に抑え、低いQossとQrrはスイッチング損失を改善します。ソフトなリカバリーダイオードと低いQrrは、リンギング、オーバーシュート、ノイズを低減し、堅牢性と優れたUnclamped Inductive Switch（UIS）を実現して、高速スイッチングアプリケーションでのアバランチ堅牢性を向上させます。これらのデバイスはPbフリー、ハロゲン/BFRフリー、RoHS準拠です。

NTMFWS1D5N08Xは、DC-DCおよびAC-DC同期整流（SR）、およびアイソレーテッドDC-DCコンバータやモータードライブの一次スイッチに適しています。一般的な最終製品には、通信電源、クラウド電源、サーバー電源、データセンター、モータードライブ、ソーラー電源、無停電電源装置（UPS）などが含まれます。

onsemiの低/中電圧MOSFETの一つであるNTTFS2D1N04HLは、40V、150A、2.1mΩをサポートするNチャンネルシールドゲートPowerTrench® MOSFETです。このNチャンネル中電圧MOSFETは、シールドゲート技術を組み込んだ先進的なPowerTrench®技術を使用して製造されています。このプロセスは、オン状態抵抗を最小化しつつ、優れたスイッチング性能を維持するよう最適化されています。

NTTFS2D1N04HLは、シールドゲートMOSFET技術を利用しており、最大R_DS(on)はVGS = 10V、ID = 23Aの場合で2.1mΩ、VGS = 4.5V、ID = 18Aの場合で3.3mΩです。これにより、スイッチングノイズとEMIが低減されます。MSL1に準拠した堅牢なパッケージ設計を特徴とし、100% UILテスト済み、RoHS準拠です。NTTFS2D1N04HLは、多様な用途に対応可能で、DC-DC電源や中電圧同期整流型降圧コンバータなど、一般的なエンド製品に適しています。

結論

現在の急速に進化する人工知能の時代において、電力変換効率の向上は極めて重要です。高効率の電力変換技術は、高性能コンピューティングや広範なデータ処理を必要とするAIアプリケーションの要求を満たすだけでなく、エネルギー消費と運用コストを大幅に削減し、より持続可能で環境に優しい目標を達成することが可能です。継続的な革新と高度な電力管理ソリューションを採用することで、性能と効率のバランスを保ち、さまざまな分野でのAI技術の持続的な発展と最大の利益を保証することができます。そのため、電力変換効率の向上への投資は、単なる技術進歩の要件であるだけでなく、AI革命を促進する重要な要素でもあります。

onsemi によって発売された低電圧から中電圧の PowerTrench® MOSFET 製品シリーズは、優れた性能をもち、AIアプリケーション向けのデータセンターに適用可能で、卓越した電力変換効率を提供し、関連するアプリケーションに最適な選択肢の一つです。