专家传真－半导体产业如何因应日益严峻的能源难题

半导体创新将会持续推动更佳的效益，从而解决能源难题。图／美联社

随着AI、5G、高效能运算和物联网的技术发展，带动从云到端各类电子产品运算效能呈现指数级成长的趋势，由此全世界正以前所未有的速度消耗能源，该如何以较小的功率密度完成更多的工作任务则成了我们面对能源日益短缺时需克服的难题。而半导体技术的创新将在有效和安全地因应该挑战时发挥关键作用。

当资料中心、消费电子产品、医疗装置和其他工业应用需要更大的电源功率以提高其运作性能，不可避免的是功耗随之上升。而如何在更小的系统体积中实现更高功率密度的设计，则是改善电子装置、加强数位连接及提高可靠性的关键。无论是中央处理器（CPU） 还是图形处理器（GPU），各种晶片的功耗对伺服器的运算性能均发挥关键作用，并且将持续推动半导体设计的发展趋势。尤其是在电源供应器（PSU）系统的设计中，功率密度和效率尤为重要。半导体产业在PSU设计方面能有哪些作为？

80 Plus成为产业重要基础

80 Plus是业界公认的PSU能源效率认证指标，该指标的订定有助于提升地球能源的使用效率。80 Plus针对伺服器的系统负载为50％的情况下，要求能源效率要在96％以上，所以PSU系统设计的核心议题主要还是围绕在如何优化整个电源系统的能源转换效率，而这恰好是类比半导体业者们所擅长的领域。

PSU的电源设计可分为两个主要区块，一是AC（交流电）转换成DC（直流电），另一个是高压DC（直流电源）如何进一步降压，进而促使伺服器系统的电子元件供电顺畅。对于交流转直流的设计，传统的方法是利用矽制程MOSFET或IGBT，然而随着伺服器对电源需求持续增加，传统矽制程元件已达到实体负荷的极限，因此，第三类半导体功率元件在近几年应运而生。

扩展GaN优势到PSU系统设计

基于氮化镓（GaN）和碳化矽（SiC）的功率元件均可在AC/DC电源转换中达到绝佳的性能。虽然GaN和SiC提供的电源级（power level）存在一些重叠，但GaN具有使其更适合高功率密度至关重要的应用基本特性如PSU设计。在功率负载方面，这两款元件适合在1kW到10kW的范围内运作，但在开关频率方面，GaN略胜SiC一筹。开关频率愈高，有助于周围的磁性元件进一步微缩，对系统设计会有不小的帮助。

在AC/DC电源转换设计方面，驱动元件和电源开关元件长久以来都相互独立。但考量到系统设计的便利性，德州仪器早在2016年就将驱动元件和GaN功率元件集成于一个系统中。在封装中，这种集成有助于简化系统级印刷电路板的电路配置，复杂度也可以大幅降低。2020年，德州仪器推出第二代集成式单一封装解决方案，该解决方案采用更大的封装尺寸，进一步满足PSU更高的功率需求。德州仪器也正在积极规划第三代产品以因应市场最新需求。

结合数位和类比电路双方面的优点，得以实现PSU设计的优化德州仪器的C2000即时微控制器（MCU）可以灵活地回应不同的电源演算法和韧体需求。有鉴于伺服器与资料中心每日所面临的工作负载不同，如何优化电源的转换效率是息息相关的课题，客户可以建立本身的演算法或韧体，借由C2000 MCU来实现优化。

展望未来，全世界对能源的需求持续增加中，由此带动全球对创新和卓越性能的需求高涨，资料中心使用的伺服器和PSU即是最好的例子。我们有信心半导体创新将会持续推动更佳的效益从而解决能源难题。