AI資料中心電力架構升級 高功率運算帶動供電技術革新
- DIGITIMES企劃
-
AI算力快速推升，單顆晶片功耗突破千瓦級，資料中心正面臨電力效率、散熱管理與供電韌性的多重壓力。為協助產業掌握高功率電源技術發展，DIGITIMES於7月3日舉辦「2026電源論壇」，邀集產學研專家，探討800V HVDC、SiC／GaN、熱電整合、儲能與兆瓦級測試等議題。
當單顆AI晶片功耗突破千瓦級，電源供應器面對的已是瞬態響應、散熱與高功率密度的綜合考驗。全漢企業善元科技研發資深經理劉彰員表示，新世代AI晶片TDP與機櫃功率密度持續提高，電源供應器必須兼顧瞬態響應、寬溫運作與高功率密度需求。面對AI GPU在微秒至毫秒間劇烈變化的負載特性，電源架構需透過多模式、多相式控制，以及SR Buck、LLC等設計提升反應能力。
他也指出，若要將資料中心PUE壓低至1.15以下，除了液冷，PSU轉換效率同樣是關鍵。全漢布局SiC、GaN、圖騰柱PFC、多相可相移LLC等技術，以及CRPS、Power Shelf、Power Module與800V HVDC產品，回應高密度AI運算對效率、熱管理與可靠度的需求。
要讓高密度AI機櫃持續擴充，供電電壓與功率半導體技術也必須同步升級。意法半導體工業電源暨能源技術方案中心總監周光祖表示，AI機櫃功率將由數百千瓦持續朝500kW以上及MW級演進，2028年後甚至走向MW級與混合微電網架構。SiC與GaN可支援更高頻率、更低損耗與更小型化設計，讓CCM圖騰柱PFC、三電平雙向架構與高頻LLC效率可望超過99%。
周光祖也提到，800V DC供電將朝800V轉50V、12V甚至6V演進，ST已提出Open Rack PSU、M-CRPS、ORv3 5.5kW AI Server PSU與800V 16:1 HV DCDC Brick等方案，其中5.5kW PSU實測效率達97.8%，800V至50V模組效率則超過98%。800V HVDC與SiC、GaN元件，將成為AI資料中心降低能耗與提高密度的重要技術基礎。
電壓由48V提高至800V後，如何安全完成板卡插拔與故障隔離，成為新架構的重要課題。英飛凌資深主任工程師吳冠宏表示，次世代AI伺服器將由AC/DC Sidecar供應800V DC，再轉換至50V、12V或核心電壓，因此板卡插拔時的預充電、放電、異常電流偵測與快速斷開，會直接影響系統可靠度。
英飛凌提出12kW高壓Hot Swap方案，並布局800V轉50V、800V轉12V等IBC模組；其中800V轉50V採ISOP架構，6kW TDP下功率密度可達2482W/in³，且支援短時間峰值功率。全GaN半磚模組則整合控制器、閘極驅動、保護、熱監控與輔助電源，另有48V轉12V、50V轉12.5V方案，回應AI伺服器對高密度、低損耗電源鏈的需求。
除了提高配電電壓，電力如何在有限板級空間內送達xPU，也牽動下一代供電架構。德州儀器Senior FAE蔡濱謙表示，AI機櫃正由過去約5kW朝1MW演進，處理器數量與xPU電流需求快速增加，傳統48V背板已面臨導體尺寸與損耗限制，因此800V或±400V DC配電、垂直供電VPD、6V直接轉換與48V光模組電源，成為新一代架構方向。
TI聚焦高壓感測、高壓隔離、GaN、功率磁性元件與Silicon FET，其中MagPack磁性整合技術可使效率提升逾2%，功率密度提高30%以上；整合式GaN Power Stage則能以更小面積提供更高功率。TI也展示800V轉6V、20kW連續功率設計，並透過高相數電源模組、TLVR磁性架構與薄型模組，支援AI處理器、CPO光模組與高密度機櫃。
架構升級能否真正節能，仍須回到電力從電網一路送達晶片端的完整損耗檢視。台灣是德科技技術專案經理謝森雄表示，PUE只能衡量設施層級的能源開銷，無法反映GPU、CPU與AI工作負載的實際運算效率，也難以捕捉瞬態波動、AC/DC與DC/DC轉換損失，以及熱點與冷卻反應。以100MW輸入資料中心估算，經過變壓器、UPS、PDU、機架電源與GPU電壓調節後，真正送達晶片端的可用功率可能只剩約78MW，超過兩成能源在運算前已流失。
他強調，當效率優化進入1%以內，量測準確度、同步擷取與動態負載模擬便成為核心；若誤差達1%，甚至可能掩蓋99%效率系統的真實表現。Keysight因此以電網模擬、PHIL、反孤島測試自動化與高精度量測，協助業者找出電力鏈中的隱性損耗。
高壓電源進入運算托盤後，輔助電源也必須在數毫米高度內兼顧耐壓、效率與元件數量。Power Integrations FAE蔡昇洋表示，NVIDIA Kyber Rack採800V BUS供電，可降低電流與導通損耗，但每個運算刀鋒伺服器僅約1/2U，扣除冷板與安全間距後，輔助電源高度只剩約8mm。
為此，PI提出35W、六組輸出、8mm高的DER-1110，以及15W、單組輸出、7mm高的DER-1114，兩者均採InnoMux2-1700V GaN，可減少約30%元件數與PCB空間。InnoMux2整合1700V PowiGaN、控制器、保護功能與FluxLink回授，支援SR ZVS；35W方案在700至900VDC輸入下滿載效率超過87%，15W方案則以平板變壓器與雙面板達成7mm高度。GaN-on-Sapphire技術提供1700V耐壓，也讓800V Flyback輔助電源保有更充足的電壓餘裕。
當單櫃功率推進至MW級，驗證設備與實驗室本身也要具備相應的供電、散熱與同步能力。致茂電子產品副理蔡誌元表示，MW級實驗室需整合AC Source、DC Source與高速直流電子負載，並在建置前評估CFM風量、冷熱通道、排風、空調負載與設備配置；若氣冷不足，也可導入CDU與水冷背板。場域供電不足時，能源回收型負載可將測試能量回饋電網，穩態效率超過90%；混合型負載則兼具高Slew Rate與能量回收，適合EDPP動態測試。
Chroma電子負載可同步控制60台以上設備，總拉載功率逾1.44MW，硬體同步誤差小於2微秒，再搭配低感量Busbar、客製化銅排與自動化測試，降低寄生電感、過衝與發熱，並縮短Power Rack測試驗證與報告產製時間。
從中壓電網一路降至GPU核心電壓，轉換層級與機櫃配置正因800V DC導入而重新調整。碇基半導體市場行銷部FAE資深技術經理曾名祥表示，現行AC架構由中壓電網經ATS、UPS、PDU與Power Shelf，再降至GPU所需低壓，端到端效率約87.6%；導入800V DC後可提升至89.1%，未來若以SST直接銜接中壓電網與800V匯流排，效率可望達92.1%。當AI伺服器占用大部分機櫃空間，Power Shelf、BBU與電容模組難以共置，In-Row Power Rack因此成為新配置。
曾名祥分析，SiC較適合高壓前端轉換，GaN則在機架級DC-DC、板級VRM與MHz級高頻切換更具優勢。碇基的Smart Discrete GaN整合驅動、保護與雜訊抑制，具備寬輸入、可調閘極驅動、短路保護、Active Miller Clamp與熱關斷等功能，可降低GaN設計門檻，並應用於CRPS、電信電源與EV DC-DC等場景。
電源設計深入系統層級 安全、量測與韌性成為關鍵
對光通訊、資料轉換器與精密儀測而言，供電品質的關鍵還包括微伏等級雜訊與快速負載響應。ADI產品應用經理賴育聖表示，Silent Switcher技術演進至第三代後，已由封裝與EMI抑制，延伸至超低雜訊與快速負載反應；其中LT8625S在10Hz至100kHz頻寬下整合雜訊僅3.5µVrms，優於一般低雜訊LDO，也保有切換式電源的效率。
以LT8627SP為例，在相同輸入、輸出與被動元件條件下，整合雜訊為6.5µVrms，傳統Switcher則達112µVrms，時域漣波也由830µVpp降至57µVpp。賴育聖補充，低頻雜訊難以單靠濾波器改善，因此ADI採Current Reference與unity gain feedback架構，避免回授分壓放大雜訊，並可透過CSET電容進一步抑制。相關產品涵蓋2A至16A Buck IC與µModule，鎖定光模組、ADC/DAC、FPGA、顯示與精密儀測等潔淨電源需求。
電壓與功率提升之後，保護設計也必須由元件級擴大為涵蓋整條電力鏈的分層防護。Littelfuse應用工程技術經理劉志宏表示，未來資料中心將逐步導入±400V或800V DC直流側掛式電源櫃（Sidecar），甚至由固態變壓器（SST）直接提供800V DC給HVDC伺服器。面對高壓、高功率密度環境，可靠防護需結合固態斷路器、中壓接觸器、Crowbar與熔斷器等多層機制，在異常發生時依序偵測、隔離與限制故障能量。
針對800V DC PDU，Littelfuse提出接觸器、電流感測器與保險絲協同保護方案，並布局LVDC／HVDC Hot Swap、BBU／CBU低箝位TVS、RCM／GFCI接地故障監控與新一代Power Fuse，提升AI資料中心高功率供電的安全性與可維修性。
新架構能否落地，還取決於測試平台是否能重現高壓母線、微秒級負載與低壓大電流等實際條件。艾德克斯FAE產品應用工程師黃聖棻表示，AI機櫃功率正由20kW提升至200kW以上，配電電壓也從48V DC走向±400V甚至800V DC，供電、配電與散熱系統都需重新驗證。ITECH方案涵蓋回饋式電網模擬器、雙向直流電源、高動態大功率負載與超低壓大電流負載，對應SST、Power Shelf、Power Rack及GPU板載DC-DC等場景。
其中IT8100E可擴展至4MW以上，電流斜率最高150A/µs、爬升時間低於8µs，並具1.5倍短時超載能力，降低EDPP測試設備成本。MW級平台的難點在多機並聯後的同步、均流與抗干擾，ITECH以光纖並機支援最多510個節點，將模組同步誤差控制在2µs內；IT8106E-60-2400則可在0.24V下承載2400A，支援VRM與POL低壓大電流測試。
當電力取得與併網時程開始左右AIDC建置，儲能與能源管理系統也從配套設備走向核心基礎設施。熙特爾新能源事業中心副總經理詹軍盛表示，全球資料中心用電將由2024年的415TWh增至2030年的945TWh，台灣AIDC與算力設施也可能形成GW級負載，電力可得性、變電容量與備援設計將直接影響建置時程。AIDC業主主要面臨可靠供電、併網速度、低碳電力與儲能調度四項門檻，因此BESS、HVDC BBU與EMS將用於平滑負載、削峰填谷、瞬時備援與電力品質管理。
熙特爾提出涵蓋再生能源、儲能、800V DC BBU、EMS、氫能與併聯電網的整合方案，並以需求定義、系統設計、3MW高壓測試、POC到量產維運作為導入流程；其中500kW／42U 800V HVDC BBU強調LFP電芯、高壓保護、液冷與BMS／EMS維運，GridLink EMS則整合IT負載、冷卻、配電與儲能，讓能源管理由被動量測走向主動調度，進一步改善PUE表現。
支撐高壓、高功率密度架構的底層關鍵，最終仍落在功率元件的耐壓、損耗與高溫可靠度。清華大學電機工程學系教授黃智方表示，800V DC架構讓系統在相近體積下承載更高功率，功率密度與熱密度同步升高，寬能隙元件因此成為重要基礎。SiC具備高耐壓、高頻與高溫操作優勢，6.5kV以上可由SiC IGBT、Thyristor等雙極元件對應，中低壓高頻轉換則由SiC MOSFET與GaN分工。
黃智方指出，SiC MOSFET正朝晶片縮小、晶圓放大與成本下降演進，已應用於EV逆變器、UPS與主動式前端AC/DC。對AI資料中心而言，功率元件還需同時評估導通電阻、耐壓、安全操作區、切換損耗、驅動與拓撲；更高接面溫度則可增加散熱與系統設計餘裕。SiC JFET／FET也可用於高壓Hot Swap與斷路器，強化高功率供電保護。
工業物聯網與邊緣AI擴大後，電源管理已由單純供電，走向效率、安全、低功耗與系統可靠度整合。NXP資深行銷經理陳筠儀表示，次世代智慧電源需涵蓋AC-DC轉換、USB-C PD、功能安全、電源保護、PMIC與System Basis Chip，並依處理器與應用選擇合適架構，縮短設計與驗證時間。以TEA2356為例，該控制器支援Asymmetrical Half Bridge／Hybrid Flyback，具備高效率PFC、多模式操作、低THD、高功因、低負載最佳化與低待機功耗，並可透過GUI完成客製化設定。
工業與IoT系統中的PMIC則需兼顧高壓輸入、低功耗模式、輸出監控與功能安全；NXP VR249X支援12V／24V輸入，整合HV Buck、VCORE、Boost、LDO、VREF、Tracker與SPI，並具備失效安全狀態機制（Fail Safe State Machine）、獨立安全監控、ABIST與故障復原，可對應IEC 61508 SIL2硬體與SIL3系統能力，支援機器人、資料中心、工廠自動化、醫療與能源等場域。
千瓦級算力重塑電力架構 供應鏈加速系統整合
在焦點對談中，工研院南分院智慧產業推動與應用整合組專案組長黃建智，與清華大學電機資訊學院電機工程學系教授黃智方、碇基半導體市場行銷部FAE資深技術經理曾名祥，以「解碼千瓦級算力防線：次世代功率半導體與熱電一體化系統變革」為題展開討論。黃建智指出，AI資料中心的電力議題已從伺服器電源設計，延伸到機櫃、資料中心與電網端；當GPU功耗逼近千瓦級，供電架構、電路保護、熱管理與測試驗證都必須同步調整。
黃智方分析，千瓦級算力對電源設計的壓力，集中在效率提升、電流承載、電壓等級與散熱處理；SiC的優勢在於高壓、高功率與高溫操作，但封裝、晶粒接合、熱阻與模組設計同樣會影響可靠度。曾名祥則從GaN與Power Stage整合切入，指出AI伺服器電源已不只是元件成本競爭，而是效率、體積、散熱、保護與供應穩定性的整體方案競爭。兩位與談人也提醒，控制器、驅動器、功率開關與保護功能一體化後，台灣供應鏈需要更早串接元件、封裝、熱管理與系統驗證，才能切入AI資料中心的高功率電力架構。
