Halvledere med bred båndavstand øker effektiviteten i datasentre

Datasentre spiller en sentral og viktig rolle i en stadig mer digital, tilkoblet og virtualisert verden. Siden datasentre har store energibehov, er det nødvendig med strømløsninger som kan redusere strømtap, øke virkningsgrad og forbedre termisk styring.

Trafikken på Internett har vokst betydelig de siste årene på grunn av et mer betydelig antall brukere, den utbredte bruken av mobilenheter og sosiale nettverk og ekstern lagring av informasjon i skyen. Ifølge analytikere trenger veksten av denne trafikken fortsatt nå full metning.

Disse vekstprognosene reiser spørsmål om utstyrseffektivitet og strømforbruk, noe som setter fart på utviklingen av nye energieffektive strømomformingsteknologier, for eksempel de som tilbys av effekthalvledere med bred båndavstand (WBG – wide bandgap).

Effektivitet er avgjørende

I tillegg til den fysiske infrastrukturen, er et datasenter en struktur som rommer nettverksdataservere for elektronisk prosessering, lagring og distribusjon av data. Den viktigste komponenten i et datasenter er serveren – en enhet som lagrer data som driver Internett, skydatabehandling og bedriftsintranett.

Etterspørselen etter energi øker på grunn av det økende volumet av digitale data som opprettes, prosesseres og lagres. I tillegg til å strømsette rackutstyr, datalagring og nettverksenheter, trenger datasentre også ekstra kjøle- og ventilasjonsutstyr for å fjerne varmen som produseres under databehandling og omforming av elektrisk strøm.

Den typiske strukturen til strømomformingssystemet som brukes i et datasenter omfatter flere AC–DC-, DC–AC- og DC–DC-spenningsomformere, som virkningsgraden til hele datasenteret er fullstendig avhengig av. Det er to viktige fordeler forbundet med å redusere tapene i omformerne som driver enhetene for dataprosessering og -lagring. For det første er det ikke nødvendig å tilføre energien som ikke omdannes til varme. For det andre er det en reduksjon i energien som trengs for å kvitte seg med spillvarmen.

Virkningsgraden til et datasenter måles ofte med målet strømforbrukseffektivitet (PUE – power usage effectiveness). PUE, som er utviklet av The Green Grid som en standardmåte å sammenligne energibruken til datasentre på, er definert som forholdet mellom den samlede datasenterenergibruken og energibruken til informasjonsteknologisk (IT) utstyr.

PUE-målingen er en statistikk som er grunnleggende nok til å identifisere områder som trenger utvikling. Til tross for at det ikke er et perfekt mål, har det blitt en bransjestandard. PUE bør ideelt sett være nær én (unity), noe som betyr at datasenteret bare krever elektrisitet for å støtte IT-etterspørselen. Men ifølge NREL (National Renewable Energy Laboratory)2 er gjennomsnittlig PUE rundt 1,8. PUE-verdiene til datasentre varierer kraftig, men datasentre som er fokusert på virkningsgrad oppnår ofte PUE-verdier på 1,2 eller mindre.

En høy PUE kan skyldes ulike årsaker, for eksempel:

• ‘Zombie’-servere (eller ‘komatøs‘-servere) og avbruddsfrie strømforsyninger (UPS – uninterruptable power supply), som betyr at utstyret er slått på, men ikke fullstendig utnyttet. De omfatter enheter som utilsiktet er i ventemodus, og derfor bruker elektrisitet uten synlighet eller ekstern kommunikasjon
• Ineffektive backup- og kjølestrategier
• Datasentre er mer fokusert på pålitelighet enn effektivitet

To vanlige måter å redusere PUE på, er å legge til drivenheter med variabel frekvens (VFD – variable frequency drive) til kjølevifter og minimere antall servere og UPS-er. I løpet av de siste årene har overgangen fra de eldre 12 V-arkitekturene til de mer effektive 48 V-løsningene (se figur 1) kraftig redusert effekttap (I2R-tap), noe som gir mer effektive løsninger for de stadig mer strømkrevende prosesseringssystemene. Bruken av 48 V i strømarkitekturen resulterer i seksten ganger lavere I2R-tap. Dette bidrar til å oppfylle de stadig mer krevende kravene til energieffektivitet, tatt i betraktning at en effektivitetsforbedring på én prosent kan spare flere kilowatt på tvers av hele datasenteret.

Figur 1: WBG-halvledere gir bedre ytelse enn silisium. (Bildekilde: Researchgate)

Fordeler med å bruke WBG-halvledere i datasentre

Selv om silisium (Si) er den mest kjente teknologien, har den mindre båndavstand enn WBG-materialer (WBG – wide bandgap), for eksempel galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC), som senker driftstemperaturen, begrenser bruken til lavere spenninger og reduserer varmekonduksjonsevnen.

Bruken av effekthalvledere med høyere virkningsgrad, for eksempel WBG-halvledere i stedet for silisium, kan være et mer effektivt alternativ. WBG-halvledere, slik som GaN og SiC, gjør det mulig å få bukt med begrensningene forbundet med silisiumteknologien, og gir høye gjennombruddsspenninger, høy vekslingsfrekvens, lav konduksjon, lavt vekslingstap, bedre varmeavledning og mindre formfaktor (se figur 1). Dette resulterer i høyere virkningsgrad for strømforsynings- og strømomformingstrinnene. I et datasenter kan selv en økning i virkningsgrad på én enkel prosent føre til betydelige energibesparelser.

GaN

GaN er en fremvoksende klasse av materialer med bred båndavstand, fordi det har en elektronbåndavstand som er tre ganger større (3,4 eV) enn silisium (1,1 eV). I tillegg har GaN dobbelt så stor elektronmobilitet sammenlignet med silisium. Den velkjente og enestående virkningsgraden til GaN ved svært høye vekslingsfrekvenser, er muliggjort av den enorme elektronmobiliteten.

Disse egenskapene gjør det mulig for GaN-baserte effekthalvledere å motstå sterkere elektriske felt i en mindre kapslingsstørrelse. Mindre transistorer og kortere strømbaner resulterer i ultralav motstand og kapasitans, noe som gir opptil 100 ganger raskere vekslingshastigheter.

Redusert motstand og kapasitans øker også virkningsgraden under strømomforming, noe som gir mer strøm for arbeidsbelastninger i datasentre. I stedet for å produsere mer varme, noe som ville kreve mer kjøling for datasenteret, kan flere datasenterhandlinger utføres per watt. Frekvensveksling med høy hastighet reduserer også størrelsen og vekten til energilagrende passive komponenter, fordi hver vekslingssyklus lagrer vesentlig mindre energi. En annen fordel med GaN er at den er i stand til å støtte forskjellige strømomformer- og strømforsyningstopologier.

De viktigste funksjonene som er relevante for datasenterkonstruksjoner, er følgende:

• Støtter hard og myk vekslingstopologi
• Rask på- og avkobling (GaN-vekslingsbølgeformen er nesten identisk med den ideelle firkantbølgen)
• Null sperreforsinkelsesladning
• Sammenlignet med Si-teknologi:
  • 10 ganger høyere gjennombruddsfelt
  • 2 ganger høyere mobilitet
  • 10 ganger lavere utgangsladning
  • 10 ganger lavere gate-ladning og lineær Coss-karakteristikk

Disse funksjonene gjør det mulig for GaN-effekthalvledere å lage løsninger som oppnår følgende:

• Høy virkningsgrad, effekttetthet og vekslingsfrekvenser
• Redusert formfaktor og på-motstand
• Lav vekt
• Nesten tapsfri vekslingsdrift.

Et typisk målbruksområde for GaN-effekthalvledere vises i figur 2. Disse totempæl PFC-trinnene (PFC – power factor correction – effektfaktorkorreksjon) uten broer for høy spenning og resonante LLC-trinnene for høy spenning kan oppfylle de strenge kravene til server-SMPS og oppnå en flat virkningsgrad over 99 % over et bredt lastområde og høy effekttetthet.

Figur 2: Høyeffektiv GaN-strømforsyning i vekslet modus (SMPS) for servere i datasentre (Kilde: Infineon)

SiC

Historisk sett ble en av de første bruksområdene for SiC-effekthalvledere i datasentre ansett som UPS-utstyr. UPS er svært viktig for datasentre for å forhindre potensielt katastrofale virkninger forårsaket av en nettspenningsfeil eller et avbrudd i driften. Strømforsyningsredundans er nødvendig for å sikre at et datasenter har driftskontinuitet og pålitelighet. Optimalisering av virkningsgraden til et datasenters strømforbruk (PUE – power consumption effectiveness), er en hovedprioritet for alle entreprenør- og driftsledere.

En pålitelig, konstant strømkilde er nødvendig for et datasenter. Spennings- og frekvensuavhengige (VFI – voltage and frequency-independent) UPS-systemer brukes ofte for å oppfylle dette kravet. En AC–DC-omformer (likeretter), en DC–AC-omformer (inverter) og en DC-link omfatter en VFI UPS-enhet. En forbikoblingsbryter (bypass switch), som hovedsakelig brukes under vedlikehold, kobler UPS-utgangen direkte til AC-strømkilden på inngangen. Hvis det skulle oppstå et strømbrudd, kobles batteriet, som vanligvis består av mange celler, til en nedtransformeringsomformer (buck) eller opptransformeringsomformer (boost), og driver strømforsyningen.

Fordi vekselspenningen på inngangen omdannes til likespenning og deretter til en nøyaktig sinusformet utgangsspenning, er disse enhetene vanligvis dobbeltomformende kretser. Resultatet eliminerer alle variasjoner i forsyningsspenningen, slik at UPS-en kan gi lasten et stabilt og rent signal. I tillegg til å isolere systemet fra strømkilden, skjermer spenningsomformingsprosessen lasten fra spenningssvingninger.

Inntil nylig har topolede transistorer med isolert gate (IGBT – insulated-gate bipolar transistors) med tre nivåer av vekslingstopologier hatt de beste resultatene for virkningsgrad. Virkningsgradnivået på 96 % ble oppnådd takket være denne tilnærmingen, noe som er en betydelig forbedring sammenlignet med tidligere transformatorbaserte modeller.

Silisiumkarbidtransistorer har gjort det mulig å redusere effekttap betydelig (> 70 %) og øke virkningsgraden i UPS-systemer med dobbel omforming. Denne bemerkelsesverdige virkningsgraden (over 98 %) vedvarer under scenarier med lavere og tunge belastninger.

Resultater av denne typen kan oppnås takket være de iboende egenskapene til silisiumkarbid. Sammenlignet med tradisjonelle silisiumbaserte enheter, for eksempel MOSFET-er og IGBT-er, kan SiC fungere ved høyere temperaturer, frekvenser og spenninger.

Enda en fordel med SiC-baserte UPS-er, er bedre varmetapsverdi (eller varmeavvisning), som muliggjør drift ved høyere temperaturer. Denne funksjonen gjør det mulig for konstruktører å ta i bruk mer kompakte og økonomiske kjøleløsninger. Samlet sett er en SiC-basert UPS mer effektiv, lettere og mindre enn en tilsvarende modell med silisiumbaserte komponenter.

SiC-baserte halvledere kan fungere ved høyere temperaturer enn tradisjonelle Si-halvledere, takket være deres iboende egenskaper. Kundens kjølekostnader kan dermed reduseres på grunn av UPS-ens lavere varmetap og evne til å fungere ved høyere temperaturer.

Når den tilgjengelige gulvplassen maksimeres i et datasenter, reduseres vekten og størrelsen til en SiC-basert UPS sammenlignet med den konvensjonelle Si-baserte UPS-en. Videre krever en SiC-basert UPS mindre gulvplass, noe som øker den tilgjengelige strømkapasiteten i et gitt område.

Konklusjon

For å oppsumere, er WBG-materialer, for eksempel GaN og SiC, nye halvledere som vil etablere en ny retning for strømelektronikk i krevende konstruksjoner som datasentre. Fordelene inkluderer økt systemeffektivitet, lavere krav til kjølesystemet, drift ved høyere temperaturer og høyere effekttetthet. Med integrasjonen av GaN- og SiC-effekthalvledere i spenningsomformere og strømforsyninger, oppnås datasenteroperatørenes mål om å oppnå høyere virkningsgrad, maksimere gulvplassen og redusere driftskostnadene på tvers av anlegget.