根據(jù)IDC機(jī)構(gòu)的測(cè)算，2025年全球人工智能服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1587億美元，2028年更有可能飛躍式增長(zhǎng)至2227億美元。AI數(shù)據(jù)中心發(fā)展勢(shì)頭迅猛的同時(shí)，也帶來(lái)了一個(gè)極為嚴(yán)峻的問(wèn)題——電力告急!因此GaN技術(shù)變得十分重要。

一、AI大模型耗電量驚人，GaN技術(shù)成省電關(guān)鍵

這可不是在危言聳聽。以著名的OpenAI為例：其GPT-3級(jí)別模型單次訓(xùn)練的耗電量約為128.7萬(wàn)度，相當(dāng)于300戶美國(guó)家庭一年的用電量;GPT-4級(jí)別模型單次訓(xùn)練耗電量達(dá)2.4億度，相當(dāng)于3000戶美國(guó)家庭的年用電量。

GPT-5模型的耗電量，更是堪稱“能耗怪獸”，日耗電量峰值可達(dá)4500萬(wàn)度，基本等同于150萬(wàn)戶美國(guó)家電的日用電量。

未來(lái)隨著AI大模型的更新迭代，其耗電量勢(shì)必還會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)!

正因如此，應(yīng)用于AI服務(wù)器電源的電源模塊和其中的電源管理芯片就顯得尤為重要。電源模塊的性能越高，就能夠更有效地減少電力轉(zhuǎn)換中的損耗，是一種變相的省電。

但傳統(tǒng)的硅基電源模塊和電源管理芯片面臨著一個(gè)迫切的問(wèn)題：AI的計(jì)算任務(wù)不像傳統(tǒng)服務(wù)器那樣平穩(wěn)，它更像一場(chǎng)隨時(shí)可能爆發(fā)的“腦力沖刺”，需要電源能在瞬間提供高達(dá)平時(shí)兩倍的電力，并且穩(wěn)定不波動(dòng)。

經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)后，硅基芯片的技術(shù)已然非常成熟無(wú)限接近其物理極限。然而隨著AI服務(wù)器電源對(duì)于轉(zhuǎn)換效率的要求越來(lái)越高，硅基芯片已經(jīng)顯得有些“過(guò)時(shí)”。

在這樣的背景下，業(yè)界將目光投向第三代半導(dǎo)體材料，特別是GaN(氮化鎵)。與傳統(tǒng)的硅材料相比，氮化鎵具有更高的電子遷移率(約1500 cm2/V·s，遠(yuǎn)超硅的1400 cm2/V·s)、更寬的禁帶寬度(3.4 eV，是硅的3倍以上)和更強(qiáng)的耐高溫性能，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通損耗和更小的器件體積。

這意味著采用GaN技術(shù)的電源，能在更小的體積里，以更少的自身?yè)p耗，更穩(wěn)定地輸送電力，直接擊中當(dāng)前AI數(shù)據(jù)中心“電不夠用、電費(fèi)太高、空間太緊”的三大痛點(diǎn)。

二、年省近3億度電，九峰山GaN技術(shù)電源模塊“顯威”

當(dāng)然，對(duì)于第三代半導(dǎo)體GaN技術(shù)在AI服務(wù)器電源中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，“實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。

12月4日，九峰山實(shí)驗(yàn)室公開了面向超大型AI算力中心的高功率氮化鎵電源模塊方案，完美地詮釋了GaN技術(shù)電源模塊在AI服務(wù)器電源應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)其披露的信息，這個(gè)GaN電源模塊只有指甲蓋大小，并且如果將100萬(wàn)個(gè)這樣的GaN電源模塊，集成部署于一座1吉瓦(10億瓦)容量的AI算力中心，每年可節(jié)約近3億度電(日均超82萬(wàn)度)!

并且這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)完成了關(guān)鍵的概念驗(yàn)證，正穩(wěn)步邁向中試驗(yàn)證階段，預(yù)計(jì)在未來(lái)3-5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，直指AI服務(wù)器電源千億級(jí)的市場(chǎng)需求。

三、“同志仍需努力”，國(guó)產(chǎn)GaN半導(dǎo)體任重道遠(yuǎn)

不過(guò)凡事都有兩面性。GaN材料這樣的三代半材料應(yīng)用于AI服務(wù)器電源模塊后，帶來(lái)的能效提升固然讓人欣喜萬(wàn)分，但也同樣要對(duì)這項(xiàng)技術(shù)說(shuō)一句“革命尚未成功，同志仍需努力”。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)GaN材料技術(shù)已取得初步成功，比如手機(jī)快充充電器、筆記本電腦適配器等;然而在對(duì)可靠性、壽命要求極高的數(shù)據(jù)中心和工業(yè)領(lǐng)域，其大規(guī)模應(yīng)用仍需時(shí)間驗(yàn)證。

未來(lái)幾年，GaN材料電源技術(shù)在AI算力中心的應(yīng)用將面臨幾個(gè)關(guān)鍵考驗(yàn)：

可靠性與壽命驗(yàn)證： 數(shù)據(jù)中心電源需要滿足7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行、使用壽命超過(guò)10年的嚴(yán)苛要求。GaN器件在長(zhǎng)期高溫、高功率工況下的可靠性表現(xiàn)，需要通過(guò)大量實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

成本與供應(yīng)鏈問(wèn)題： 盡管GaN材料有潛在的成本優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前的制造良率、襯底材料成本以及封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)的成本控制，仍是影響其大規(guī)模商業(yè)化的重要因素。

系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)：高效率的GaN材料器件需要與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，才能真正發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。這需要電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱管理、電磁兼容等多方面的協(xié)同創(chuàng)新。

從更宏觀的視角看，AI服務(wù)器的能耗問(wèn)題不可能只靠GaN技術(shù)就能解決。芯片級(jí)能效提升、液冷等先進(jìn)冷卻技術(shù)、余熱回收利用、智能化能源管理以及清潔能源接入等多個(gè)維度的協(xié)同創(chuàng)新都十分重要。

這并不意味著以GaN材料為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)不重要。相反，在中國(guó)半導(dǎo)體目前仍落后于西方國(guó)家的背景下，第三代半導(dǎo)體技術(shù)將會(huì)是國(guó)產(chǎn)替代一個(gè)很好的“換道超車”契機(jī)。

畢竟，第三代半導(dǎo)體避開了傳統(tǒng)硅基芯片的制程封鎖，憑借中國(guó)在新能源等領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)和完整產(chǎn)業(yè)鏈，以應(yīng)用需求定義技術(shù)路線，完全有望實(shí)現(xiàn)從材料到系統(tǒng)的自主突破和產(chǎn)業(yè)升維。

目前，中國(guó)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)投入持續(xù)增加，多地已布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。這種分散化的研發(fā)格局有利于技術(shù)路線的多元探索，但也可能面臨資源分散、重復(fù)投入的挑戰(zhàn)。

如何形成GaN材料產(chǎn)學(xué)研有效協(xié)同、構(gòu)建健康的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，將是決定中國(guó)在該領(lǐng)域能否實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破的關(guān)鍵。

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審核編輯 黃宇