算力服务器供电系统白皮书

东微半导体算力服务器供电系统白皮书WHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR DATA CENTERSWHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR AI DATA CENTERSWHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR DATA CENTERSWHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR AI DATA CENTERS 人工智能不再是遥远的科幻，它最近引领的技术革命将毫无疑问地带领人类文明进入全新的阶段。伴随人工智能算力需求的激增，能源已经成为制约其发展的瓶颈，因此算力服务器供电系统已经成为算力技术革命最重要的基础设施。随之而来的，算力革命中的供电系统也正面临史无前例的挑战：高昂的投资成本、宝贵的算力训练数据、有限的机柜空间、巨大的负载电流密度和剧烈变化的负载动态等等的应用特性，都对供电链路的可靠性、冗余度、能量效率、功率密度、保护速度、系统稳定性与扩展性等方面提出了前所未有的苛刻要求。为应对这些技术挑战，工业界在电源架构、功率器件、封装技术和热管理等各个技术方向上已经展示出各类的创新方案，比如碳化硅和氮化镓第三代半导体的应用、800V高压直流总线供电架构、固态变压器（SST）、负载侧的垂直供电架构等等，这些创新不断拓展电力电子的技术边界。功率半导体器件与各类电源管理IC是算力服务器供电系统性能实现的核心载体，其成本占电源硬件总成本五成左右。东微半导体自创立以来，始终聚焦高性能功率器件的研发与市场化推广，在数据中心、工业控制及汽车电子等高端应用场景构建了领先的品牌壁垒与市场地位，并获得国际独立咨询机构的专业认证（图表1）。此外，通过并购慧能泰这家以数字能力为核心竞争力的半导体公司，东微产品布局延伸至先进的数字电源控制芯片领域，形成功率器件与数字控制IC双核驱动的产品矩阵，打通“控制-驱动-执行”的关键功率转换链路。 未来，公司将面向高端电源应用，打造高效、高可靠、智能化的完整电源管理系统级解决方案。算力服务器供电应用是公司核心战略发展方向。东微依托自研高性能功率半导体，结合与慧能泰数字电源管理IC的系统协同优势，致力于为客户提供有效优化算力服务器电源使用效率（PUE）并降低全生命周期总拥有成本（TCO）的系统方案。本白皮书首先梳理算力服务器供电系统面临的挑战，进而全面深度剖析东微半导体专为算力服务器各个供电环节打造的高性能供电解决方案，聚焦从电网接入到算力芯片的端到端技术创新，并展示东微未来的产品布局。缩略语：下列缩略语适用于本白皮书：PUE：电源使用效率（Power Usage Effectiveness）TCO：生命周期总拥有成本（Total Cost of Ownership）AIDC：AI数据中心IBC：中间总线转换器（Intermediate Bus Converter）PoL：负载点（Point-of-Load）MOSFET：金属-氧化物-半导体场效应晶体管GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管SiC：碳化硅SGT：屏蔽栅MOSFET（Split Gate Transistor）SOA：安全操作区间（Safe Operating Area）DrMOS：驱动电路+MOSFET（Driver+MOSFET）LLC：电感-电感-电容谐振转换器UPS：不间断电源（Uninterruptible Power Supply）PSU：电源模块（Power Supply Unit）PHM：预测和健康管理（Prognostics and Health Management）MTBF: 平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）HVDC：高压直流HSC：混合开关电容转换器（Hybrid Switched Capacitor）SST：固态变压器（Solid-State Transformer）VRM：电压调节模块（Voltage Regulator Module）Hotswap：热插拔PFC：功率因数校正（Power Factor Correction）ZVS：零电压开关（Zero Voltage Switching）ZCS：零电流开关（Zero Current Switching）PMBus：电源管理总线（Power Management Bus）xPU：包括GPU、CPU、TPU等各种算力芯片图表1 国内数据中心电源系统供应链源自Yole Group《Semiconductor Trends in Data Centers 2024 Market and Technology Report》WHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR AI DATA CENTERSContents01 算力服务器供电系统面临的严峻挑战1.1 指数级增长的功率需求1.2 能源效率、功率密度与热管理1.3 可靠性7.1 电压等级演进7.2 器件技术发展7.3 技术演进时间表与产业化路径02 AC-DC转换03 IBC（中间总线转换器）2.1 48V总线架构2.2 800V总线架构和固态变压器04 VRM（电压调节模块）05 eFuse和固态断路器（SSCB）06 东微产品在算力服务器的战略价值07 未来产品路线图总结0102WHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR AI DATA CENTERS人工智能大模型训练的计算需求不断提高处理器xPU（GPU、CPU或者TPU）的功率级别，也推动单个服务器IT机架的负载功率从传统的3-5kW猛增至100kW以上的数量级。目前商用的顶级算力训练集群如NVIDIAGB200平台的NVL72机架功率需求达到了120kW，2026年CES刚刚推出的Vera Rubin NVL72机架，由于搭载了更高性能的CPU、GPU和HBM4内存，单机架最高功率达到200kW。未来Rubin系列机架功率还会不断上升，据报道RubinUltra这样的极限配置可以让单机柜功率达到惊人的MW级别。01算力服务器供电系统面临的严峻挑战成本高昂的算力服务器作为支撑大规模人工智能训练与推理任务的核心基础设施，其运行连续性和服务稳定性至关重要。为保障业务不中断、数据处理高效可靠，整个数据中心必须实现99.99%甚至更高的系统可用性。这意味着全年计划外停机时间不得超过约52.6分钟。在如此严苛的可用性指标下，供电系统的可靠性成为决定整体性能和TCO的关键因素之一。据报道，在算力服务器的供电链路中，中间总线转换器（Intermediate Bus Converter,IBC）是故障高发环节。IBC通常承担着将高压直流总线（如48V）高效、稳定地转换为适用于负载点（Point-of-Load,POL）转换器输入电压（如12V或更低）的任务，处于供电架构的中枢位置。一旦IBC发生失效，将直接导致下游大量算力加速卡xPU或其他关键计算单元断电，进而引发系统级宕机。此外，AC-DC的能量转换环节也面临电网电压质量不佳、雷击等