邊緣運算蓬勃發展 功率半導體「擺平」電源難題

作者 : Anthea Chuang,EE Times Taiwan

能稱為邊緣運算的裝置,大到伺服器、工業生產機械、車輛,小到個人行動裝置,如智慧型手機、智慧手環…等,這些型態各異的邊緣裝置,對於電源的需求大不相同...

由於意識到大數據的重要性與數位化趨勢的興起,促使邊緣運算如火如荼的發展。但能稱為邊緣運算的裝置,擁有各式各樣的型態,大到伺服器、工業生產機械、車輛,小到個人行動裝置,如智慧型手機、智慧手環…等,這些型態各異的邊緣裝置,對於電源的需求大不相同。而現有的矽基電源元件已無法滿足所有邊緣裝置所需,尤其是在高壓應用方面,因此被稱為第三代半導體的寬能隙(WBG)元件,包括碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)由於能為矽基元件所不能為,因而鋒頭正盛。

英飛凌科技(大中華區)電源與感測系統事業部行銷部協理謝東哲表示,數位化的進程不斷地發生在各處,從雲端到個人產生了許多資料。這些資料被收集、分析、利用,並進一步發散出去,但這些過程若是只在雲端發生,現有的雲端資料中心伺服器的工作負載將不足以應付如此龐大的資料量,因此可更靠近使用者的邊緣運算伺服器佈建數量持續增加;不僅如此,各種類型的邊緣裝置數量也跟著水漲船高,這些都為電源設計帶來新的挑戰。

無論是邊緣端的伺服器或是各類節點裝置,對電源的需求自然和雲端的資料中心伺服器大不相同。謝東哲指出,不僅邊緣裝置的型態各不相同,邊緣伺服的「樣貌」也根據需求而異。舉例來說,OpenEDGE規格的模組化插卡伺服器平台,每張卡片對應不同的應用,對電源的需求就不一致;電信機房或是安裝在戶外的伺服器,甚至是Nvidia加速卡這類的小型物聯網(IoT)裝置,所需的電源也大相逕庭,無法用傳統的電源設計思維來滿足上述伺服器或裝置的電源要求。

有鑑於此,英飛凌推出了各種電源解決方案,以因應邊緣運算市場不同的電源設計需求。謝東哲說明,針對所有的運算平台,包括英特爾(Intel)、AMD及Arm-based的CPU、GPU、FPGA、ASIC與MAC處理器等,英飛凌都有完整、高可靠、高效能和強健的產品線與之搭配。其中,近期推出的產品採用OptiMOS技術,進一步提高新元件的能源效率;另外,新元件具備的電流鏡功能,可讓系統獲得更加精準的電流回報數值,進而讓系統操作更加穩定,並增加整體的可靠度。

 

矽(灰色線)、SiC(淡綠色線)、GaN(桃紅色線)技術特性比較。

(來源:英飛凌)

 

在邊緣端伺服器中,高壓市電進到伺服器需降壓至48V或12V的低壓,才可供伺服器運作。因此促使高壓電源供應的AC/DC開關模式電源(SMPS)已演進到2,400W,且整體尺寸還需不斷縮小,英飛凌科技(大中華區)電源與感測系統事業部協理陳志星表示,這樣的演進促使電源供應器需提高功率密度、提供更高電壓,以及輕載時效率不能太差,為相關業者帶來新的技術挑戰;此外,由於業者都想符合目前主流伺服器SMPS規範——白金、鈦金等級,也衍生電源供應器設計難度增加、可靠度如何提升、功率密度提高,以及如何讓產品能快速上市等新難題。

然而,現有的矽基產品在0.5Ωmm2已出現無法突破的瓶頸,因此整體尺寸可以更小、RDS(ON)可以更低、高頻運作的SiC和GaN即在高應用中大展長才。陳志星解釋,看準寬能隙元件在高壓應用的優勢,以及高頻運作帶來的減少被動元件數量、尺寸優勢,英飛凌在既有的CoolMOS矽基MOSFET產品之外,還推出了CoolGaN HEMT及CoolSiC MOSFET產品線,可根據客戶應用所需,選擇最合適的產品。

陳志星強調,矽基元件與SiC、GaN各有優勢,端看客戶如何選擇。目前SiC、GaN產品價格仍高居不下,但未來3~5年內,透過產能增加(利用8吋晶圓生產)、良率提升,屆時SiC、GaN的成本將可望相當接近矽基元件。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年9月號

 

 

 

 

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論