專家傳真－半導體產業如何因應日益嚴峻的能源難題

半導體創新將會持續推動更佳的效益，從而解決能源難題。圖／美聯社

隨着AI、5G、高效能運算和物聯網的技術發展，帶動從雲到端各類電子產品運算效能呈現指數級成長的趨勢，由此全世界正以前所未有的速度消耗能源，該如何以較小的功率密度完成更多的工作任務則成了我們面對能源日益短缺時需克服的難題。而半導體技術的創新將在有效和安全地因應該挑戰時發揮關鍵作用。

當資料中心、消費電子產品、醫療裝置和其他工業應用需要更大的電源功率以提高其運作性能，不可避免的是功耗隨之上升。而如何在更小的系統體積中實現更高功率密度的設計，則是改善電子裝置、加強數位連接及提高可靠性的關鍵。無論是中央處理器（CPU） 還是圖形處理器（GPU），各種晶片的功耗對伺服器的運算性能均發揮關鍵作用，並且將持續推動半導體設計的發展趨勢。尤其是在電源供應器（PSU）系統的設計中，功率密度和效率尤爲重要。半導體產業在PSU設計方面能有哪些作爲？

80 Plus成爲產業重要基礎

80 Plus是業界公認的PSU能源效率認證指標，該指標的訂定有助於提升地球能源的使用效率。80 Plus針對伺服器的系統負載爲50％的情況下，要求能源效率要在96％以上，所以PSU系統設計的核心議題主要還是圍繞在如何優化整個電源系統的能源轉換效率，而這恰好是類比半導體業者們所擅長的領域。

PSU的電源設計可分爲兩個主要區塊，一是AC（交流電）轉換成DC（直流電），另一個是高壓DC（直流電源）如何進一步降壓，進而促使伺服器系統的電子元件供電順暢。對於交流轉直流的設計，傳統的方法是利用矽製程MOSFET或IGBT，然而隨着伺服器對電源需求持續增加，傳統矽製程元件已達到實體負荷的極限，因此，第三類半導體功率元件在近幾年應運而生。

擴展GaN優勢到PSU系統設計

基於氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）的功率元件均可在AC/DC電源轉換中達到絕佳的性能。雖然GaN和SiC提供的電源級（power level）存在一些重疊，但GaN具有使其更適合高功率密度至關重要的應用基本特性如PSU設計。在功率負載方面，這兩款元件適合在1kW到10kW的範圍內運作，但在開關頻率方面，GaN略勝SiC一籌。開關頻率愈高，有助於周圍的磁性元件進一步微縮，對系統設計會有不小的幫助。

在AC/DC電源轉換設計方面，驅動元件和電源開關元件長久以來都相互獨立。但考量到系統設計的便利性，德州儀器早在2016年就將驅動元件和GaN功率元件集成於一個系統中。在封裝中，這種集成有助於簡化系統級印刷電路板的電路配置，複雜度也可以大幅降低。2020年，德州儀器推出第二代集成式單一封裝解決方案，該解決方案採用更大的封裝尺寸，進一步滿足PSU更高的功率需求。德州儀器也正在積極規劃第三代產品以因應市場最新需求。

結合數位和類比電路雙方面的優點，得以實現PSU設計的優化德州儀器的C2000即時微控制器（MCU）可以靈活地迴應不同的電源演算法和韌體需求。有鑑於伺服器與資料中心每日所面臨的工作負載不同，如何優化電源的轉換效率是息息相關的課題，客戶可以建立本身的演算法或韌體，藉由C2000 MCU來實現優化。

展望未來，全世界對能源的需求持續增加中，由此帶動全球對創新和卓越性能的需求高漲，資料中心使用的伺服器和PSU即是最好的例子。我們有信心半導體創新將會持續推動更佳的效益從而解決能源難題。