AI 时代的资料中心成吃电巨兽，氮化镓会是能效救星吗？

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数位经济正经历一场由两大趋势驱动的巨大变革，即时资料分析的庞大需求为其一，另一则是生成式人工智慧 (Generative AI) 的快速发展。一场激烈的生成式 AI 竞赛正如火如荼的进行中，科技巨头如亚马逊 (Amazon)、谷歌 (Google)、微软 (Microsoft) 皆大举投资生成式 AI 的研发创新。根据彭博智库 (Bloomberg Intelligence) 预测，生成式 AI 市场将以 42% 的年增率成长，从 2022 年 400 亿美元市值，于 10 年内扩大至 1.3 兆美元。

在 AI 的蓬勃发展下，资料中心对电力与运算的需求呈正比成长，激增的用电量不仅对营运效率造成压力，更成为资料中心达成净零排放目标的阻碍。当前资料中心所采用的电力转换及分配技术，已难以满足来自云计算及机器学习的运算需求，面对更庞大能源的生成式 AI 应用，资料中心运营商正急迫地寻找创新电力解决方案。

氮化镓 (GaN) 功率半导体应运而生，成为资料中心优化能源效率的关键技术之一。接下来的文章将进一步探讨生成式AI对资料中心带来的挑战、氮化镓功率器件的优势，最后分析业界普遍使用的“电源使用效率 (Power Usage Effectiveness, PUE)”指标中所存在的漏洞，这些洞察皆将指向一个结论，氮化镓功率元件在资料中心电力系统中的应用将加速落地。

生成式 AI 对资料中心的冲击将加剧

面对资料量爆炸，依传统工作负载量所规划的资料中心基础架构正面临巨大压力。全球资料量每两年便翻涨一倍，处理、储存这些庞大资料的服务器，需要大量的能源及水资源来维持运作。根据麦肯锡的预测，在未来五年内，光是位于美国地区的资料中心便将新增 39GW 的用电量，相当于 3200 万的家庭一年的用电量。

生成式 AI 带来破坏式创新与商机，但随之而来的能源需求也是前所未有。一篇研究文章指出，训练最新一代的生成式 AI 模型，较上一代模型高出十至百倍。生成式 AI 应用主要的能耗来自于两方面，一是训练构成生成式 AI 系统核心的大型语言模型 (LLMs) 时需要的能源，另外便是大型语言模型运作时的能耗。

生成式 AI 的用电量高的难以置信，假设每次 Google 搜索需耗费相当于一个 100 瓦灯泡发光 11 秒钟的电量，如今当红的生成式 AI 应用工具 ChatGPT 每回答一个问题的用电量，竟比 Google 搜索高出 50-100倍。面对突增的电力需求，升级资料中心架构迫在眉睫，资料中心业者更直言接下来 4 年资料中心在升级设备的花费预估将高达 1 兆美元。

虽然如浸没式冷却、人工智慧优化方案、废热再利用等新兴技术已经出现，但这些方案皆无法从根本解决问题。由于基于硅开发的功率元件效率低落，现今的资料中心高度依赖冷却系统来维持安全的运作温度，因此兼具能效、尺寸优势及输出功率的电力解决方案正是当前资料中心急迫所需。

氮化镓具无可匹敌的效率与性能

相较传统电源供应器，基于氮化镓功率元件设计的电源供应器，能实现超群的性能与效率，在生成式 AI 应用不断升级下，成为资料中心理想选择。凭藉更快的开关速度及卓越的输入和输出品质因数 (Figures of Merit)，氮化镓实现电源设计上的优势，带来超越钛金级的能效表现，并大幅提高功率密度。

氮化镓电晶体为电源设备带来更高的效率水准，效率提高代表能源损耗减少，设备也能减少过热情形。举例来说，在典型资料中心架构中，基于氮化镓设计的电源供应器每年可为每 10 个机架增加 300 万美元的营收，减少 100 公吨的二氧化碳排放量，省下 13,000 美元的运营支出。当生成式 AI 对电力需求持续攀升、且每机架的功率密度提升至 2-3 倍时，这些氮化镓所带来的优势将更显着。

你也许会好奇，氮化镓的所带来的好处如此显而易见，但为什么资料中心业者没有立即转用这项技术？广受资料中心使用的 PUE 指标中有一项经常被忽视的盲点，也就是我们所称“能耗指标漏洞 (PUE Loophole)”，这便是氮化镓技术普及受限的主因。

什么是能耗指标漏洞

PUE 代表 IT 设备负载耗电量占总耗电的比例，普遍作为评估资料中心能源效率的指标。密切监控并持续改善 PUE 对资料中心运营优化十分重要，降低 PUE 代表减少用电量，进而减少运营成本及环境冲击。

然而，PUE 仅计算了电力传输至服务器的效率，却忽略了服务器中电力转换间的能源损耗，这便是能耗指标漏洞，资料中心以 PUE 作为评估整体运营成效时会产生的盲点。

这个盲点造成当前许多服务器仍采用效率仅有 90% 甚至更低的 AC-DC 转换器，这代表了每次 AC-DC 能源转换间，有 10% 的能源在转换中被浪费了，这不但增加了电费成本及碳排放量，被浪费的能源同时以热的方式排出，进而提升资料中心对额外冷却系统的需求，冷却系统也是另一个非常耗电的设备。

氮化镓功率半导体将为这个挑战带来转机，为资料中心提供一个立即见效且高性价比的方式来解决能耗指标的漏洞，并省下庞大的电力需求。采用氮化镓功率元件的 AC-DC 转换器，效率可达到 96% ，甚至更高，所减少的功率耗损达50%，以资料中心平均用电量换算，相当于节省了 370 亿千瓦小时的电量，足以供应 40 座超大规模资料中心一年的电力需求。

（作者：Paul Wiener，GaN Systems策略行销副总；首图来源：Google）

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