隨著伺服器電源需求增加，創新的半導體設計和封裝技術正在改善資料中心的效率
每次我們播放最新電影、與人工智慧驅動的語音助理交談或使用筆記型電腦在家中參加商務會議時，我們都會藉由資料中心推送大量數位資訊，並使用消耗大量電力的資源。而且使用這種資源的情況只會有增無減。
2022 年，世界創造和消耗將近 100 ZB (100 兆 GB) 的數據。到 2025 年，這個難以理解的龐大數據量預計將幾乎翻倍。1 而且，這些數據逐漸藉由超大規模數據中心運作，每個資料中心都裝滿數千台伺服器。
美國政府估計資料中心的能源需求為每年 70 太瓦時。2 屆時，僅區塊鏈採礦的成長就足以使這個數字增加一倍以上。根據資料中心能源效率專業中心的數據，目前資料中心的消耗可能至少佔美國總電力消耗的 2%。3 這足以對環境產生重大影響，因此，促使資料中心能更持續性運作的目的顯得有急迫性。
本公司專門負責工業電源管理的系統經理 Robert Taylor 表示，隨著這些中心的伺服器持續發展以處理激增的數據流量，每台伺服器消耗的電力也在成長 – 從前幾年每台伺服器的平均 1,500 瓦增加到現今伺服器的 3,000 瓦。
提高伺服器電源單元 (PSU) 功率密度並藉此改善效率是提高資料中心營運效率的一種方式。
Robert 表示，升級伺服器 PSU 也很急迫。資料中心持續增加的電力需求正面臨瓶頸：大多數超大規模數據中心無法因應超過 50 兆瓦的電力。
Robert 表示：「由於這些資料中心的總電量有限，因此這些資料中心需要對於冷卻以及電子產品效率不彰所造成的損耗上盡可能減少浪費的電力。」
同時，他表示，伺服器產業需要縮小印刷電路板尺寸，每個機架才能容納更多的運算能力。因此，伺服器中的電源元件必須更縮小、更有效率，而不會產生過多的熱量。
本公司率先生產創新的半導體電源產品，藉以滿足目前和未來幾代先進資料中心對於性能、效率和熱管理的高度需求。由此產生的電源有助於保持最大型資料中心以更持續的能源穩定運作。
處理更高的功率和溫度
高性能、高效能半導體電源的關鍵是提高功率密度，也就是將更多的功率處理能力封裝到更小的體積中。不過，提高功率密度也會造成縮小的體積累積更多的熱量，這需要先進的熱管理技術來維持性能並保護元件。
提高功率密度並不是資料中心獨有的需求。從電網和通訊裝置到電動車和個人電子產品的電氣系統也需要密度更高、熱效率更高的電源晶片提供的性能和效率。
藉由使用高效率封裝減少產生的熱量
本公司正在積極因應在伺服器電源晶片中提高功率密度的挑戰。具有整合式開關的小型電晶體 (SOT) 封裝正在擴大功率密度和性能的界限，同時降低成本。
如果沒有創新的熱管理方法，就不可能獲得如此的進展。我們專注於優化熱性能和突破晶片級功率密度障礙的 三個關鍵領域：製程技術、電路設計技術和熱優化封裝。
伺服器產生的大部份熱量來自功率損耗，這是由於將輸入的 400V 交流電轉換為 6V 或更低的直流電所致。 TLVM13630 電源模組等產品採用我們的 強化型 Hotrod
四扁平無引線 (QFN) 封裝技術 和整合式場效應電晶體 (FET)，可提供快速的切換速度和更低的電阻，因此大幅降低功率損耗，達到改善晶片效率和減少熱量的效果。
本公司 QFN 暨 SOT 封裝開發總監 Les Stark 表示：「矽片中的任何電阻毫無效率可言，因此會浪費電源並產生更多熱量。」
為了進一步減少產生更多熱量的損耗，本公司運用領先業界的能力，例如將更多元件整合到功率晶片中，包括 FET 和電容器。這種整合可達到更快速、更有效率的切換和更低的雜訊，以具有超低導通電阻的 TPS25985 eFuse 為例，可提供更好的熱性能，同時達到高達 80A 的電流。在某些情況下，本公司透過元件在晶片上的 3 維堆疊來達到更高的整合度。
使用熱強化型封裝有效去除熱量
本公司也率先採用創新的設備封裝為晶片散熱。例如，本公司首創的 HotRod 和 Enhanced HotRod QFN 封裝採用倒裝晶片式封裝，將晶片表面以及其中的接頭直接接合到電路板上，完全不需要透過接合線取得進出晶片的訊號。這種更直接的連接能夠有效地將熱量從晶片轉移到電路板。
Les 表示：「這種封裝設計提供以往無法達到的大型接地焊盤，因此得以維持從裝置到印刷電路板的良好熱通道。」
本公司的其他先進散熱方法包括更有效的散熱器放置，得以改善頂部冷卻。我們的 氮化鎵 (GaN) FET 採用頂部冷卻封裝，這種封裝在資料中心系統中將變得更加重要，因為將更多運算能力封裝到每台伺服器有助於進行更密集的新式元件配置以更多方法進行晶片散熱。
Robert 表示：「由於 GaN 能夠達到更高的功率密度，因此這種彈性的冷卻方法顯得更重要。」
在微型晶片中使用任何一種改善效率和散熱的方法都極有助於熱管理和效率。藉由針對尺寸和效率優化封裝，我們正在協助解決資料中心客戶的散熱問題並減少環境足跡。
1 來源： https://www.statista.com/statistics/871513/worldwide-data-created/
2 來源：Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers
3 來源：資料中心能量效率專業中心
HotRod 是德州儀器的商標。
