系統電源設計再升級 晶片效率提升與量測方案突破成首要關鍵
- 洪千惠／DIGITIMES企劃
-
電源管理在系統設計中一直扮演重要角色，加上近年隨著AI伺服器需求大漲，如何透過更有效率的電源設計來提升能源效率已然成為產業共識。不論是電源管理晶片業者乃至於量測業者等，皆從不同面向戮力提升電源設計效率，為此，DIGITIMES於7月初舉辦2024電源技術論壇，邀集海內外業者探討電源設計的未來走向。
全漢企業研發副處長蔡建利表示，傳統的HPC（高效能運算）伺服器的電源設計概念，主要是聚焦於處理器本身的功耗多寡來決定伺服器電源供應的功率等級，以Intel的第五代Xeon處理器的TDP最大功率約莫在350W左右，而以1U的伺服器設計一般會配置兩顆處理器，整體電源供應功率大致會落在1300W至1600W左右，若是在高密度運算場景，會採用2U 4Node的伺服器，那最多就會配置到8顆處理器，那整體功率會一口氣提升至3000W。
而近期議題性非常火紅的AI伺服器，也就是配備了NVIDIA的高階運算GPU的伺服器系統，以HGX為例，若是配備了A100、H100與H200等高階GPU，其電源供應功率會一口氣突破10,000W大關，來到12,000W。因此，綜觀來看，AI伺服器大致上會有三個面向需要留意，一是高效率、第二是高密度，最後則是高功率。以現今市場的需求來看，其能源效率至少要有97%左右，才是基本AI伺服器的基本門檻。
而目前伺服器最常用的電源供應器類型，主要是以CRPS（Common Redundant Power Supply）為主，但如前所提，由於AI伺服器所需要功率需求大幅提升，但CRPS尺寸無法更動的情況下，功率密度的提升自然是不可避免，但功率需求愈高，功率密度提升乃至於相關的系統設計難度更是大幅提升。蔡建利也進一步提及，因應這樣的設計挑戰，其電源供應器的設計面向上，可以再進一步區分為數位控制、磁性元件以及SiC（碳化矽）MOSFET元件，以CRPS來說，全漢的作法至少就需要八顆SiC MOSFET才可以滿足其設計需求。
除了能源效率外，輝能行銷處經理陶惟萱就車用次世代電池技術的發展進行分享。在過去，電動車電池的技術概念主要是採用液態電解液與有機隔膜的作法，來達到電池芯的穩定，但這種隔膜很容易損壞，加上電解液本身易燃，所以安全性上相對較低，造成過往多起電動車火災事件，讓不少消費者望之卻步。而輝能的作法，則是採用固態電解質的「陶瓷隔層」取代傳統鋰電池舊有高分子隔離膜構造，進而創造一個高安全的環境。
其次，輝能的電池技術也獲得德國萊因實驗室的認證，不論是在穿刺、過充與高溫等測試下，皆能做到不起火的測試認證。陶惟萱更解釋，目前市場上的固態電解質技術可分為三種路線，分別為氧化物、硫化物與固體聚合物三種，其中以氧化物的穩定性最高、最容易商業化，輝能以此為基礎，進一步突破界面電阻和克服極層彎曲容易破裂的問題，進而朝量產與高能量密度的方向發展。目前輝能已累積超過820個專利，員工人數超過1,300位，其中40%為從事研發工程的專業人員，而電池芯的出貨數量自2013年起算，也已經累積超過百萬顆。
控制、功率元件、整合晶片，各有重要角色
在電源晶片領域，亦有不少半導體業者就不同面向探討電源設計上的方法。英飛凌消費、計算與通訊業務資深經理莊鎮榮以廣泛的應用層面出發，分享英飛凌在電力領域的產品布局，一般來說，英飛凌的產品線涵蓋控制類晶片、驅動晶片與功率半導體開關元件，後者就包含了GaN（氮化鎵）、SiC與IGBT等，除此之外，英飛凌也有相應的軟體與演算法，可以協助客戶打造完整的電力系統方案。
其中在控制端部分，英飛凌在2024年開始，以PSoC Control C3系列產品線來因應廣泛的電源控制應用，在此之前，英飛凌多以XMC 7000與4000系列來因應工業場景所需的各類應用系統，其中也包括電源控制，而從2024年開始，英飛凌便已有PSoC Control C3一系列的產品布局，產品藍圖已規劃至2026年，且大多數的產品線皆採用Cortex-M33 CPU核心為主，且有單核與雙核架構的產品區隔，目前第一款以電源控制為主的MCU產品，已經進入提供樣品階段，2025年第1季就會進入量產時程。
意法半導體技術行銷資深工程師蕭力豪表示，意法本身就有驅動晶片與GaN整合的產品線，除了能源效率可以提升與加速產品進入市場外，更重要的是，這類高整合度的產品線可以減少EMI（電磁干擾）與切換損失（Switch Loss）。此外，蕭力豪也特別談到意法旗下另一個系列產品線VIPer，它在業界已有不短的時間，其主要特色，是將PWM Controller（脈寬調變控制器）與矽製程MOSFET或是GaN加以整合，進而加以因應廣泛的終端電子應用。其中，VIPerGaN系列，主要是PWM Controller整合GaN開關元件，切換頻率為240kHz，同時也有過電流與溫度保護機制的設計，主要可鎖定家電、空調與消費性電子等應用。
Power Integrations資深工程師林文明則是針對多組輸出電路的設計挑戰提出解方。Power Integrations推出InnoMux-2解決方案，其概念主要是以單極的Flyback（返馳式）電源設計架構下，來達到多組電源輸出的目標，在這當中，Power Integrations也加入了ZVS技術，同時在輸出端加上主動式開關的設計，讓各組的電壓輸出都能達到正負3%的表現，藉此可以省去DC/DC的穩壓設計電路，也讓整體電路設計再進一步簡化。
亞德諾半導體（ADI）資深業務經理陳曜桎指出，亞德諾半導體在多元的電源拓墣設計架構乃至各類應用領域，本就有相當豐富的解決方案，其中旗下的Silent Switcher扮演了相當重要的角色，並且可涵蓋多元的應用領域，該技術的起源主要是來自於早前亞德諾半導體收購的凌力爾特而來。此一技術的特色在於可以降低電路設計所帶來的EMI問題，進一步提升訊號品質，散熱上也能有優異的表現，所以自然也能提升其能源效率，幫助降低整體系統的電路面積。該技術目前已經進展到第三代，第三代的Silent Switcher相較於前代的版本，在低頻率（0.1Hz to 100kHz）的噪訊可以降的更低，瞬態響應（Transient Response）的時間更短，在電源設計的實務上所帶來的好處，也就是系統的能源損耗越低。
電源量測方法，是德、蔡司提出更佳解方
除了晶片本身帶動效率提升外，量測也是提升電源設計品質的重要關鍵。台灣是德科技技術工程師廖士傑也表示，就功率系統的設計、量測、參數抽取乃至於分析等各項環節，是德都有相當完整的解決方案。以量測儀器來說，像是B1505A與B1506A兩款功率分析儀，就足以肩負功率元件製造乃至於最終產品的電路量測環結，B1505A主要負責晶圓端與功率元件端，B1506A則是專注於功率模組到最終應用的電路訊號分析。除此之外，是德科技也提供對應的軟體方案（Easy Test Navigator）可以針對所量測到訊號進行資料整理乃至於相應的圖像生成，這在當中，也包括了靜態與動態量測的部分，以及由於模組內的電感，在動態量測上所帶來的相關問題，此一軟體皆能協助工程師找到。
卡爾蔡司工業量測解決方案技術經理朱紹宇指出，蔡司除了在光學領域居於業界領導地位外，在工業量測領域也有相應的解決方案。隨著AI伺服器需求水漲船高，客戶對於伺服器系統的電源失效的情況找出缺陷源頭，並加以解決，蔡司的解決方案主要是採取工業電腦斷層掃描的方式，協助客戶在不破壞系統結構的情況下找出缺陷所在。採用這種做法的好處在於，以物理方式破壞系統所帶來的成本太高，加上破壞的過程中，極有可能連帶將缺陷破壞掉；但如果採用工業電腦斷層掃描的作法，則可以協助客戶用不同的角度針對系統層面進行掃描，尤其是伺服器用的PCB層數較多，用不同的角度掃描，可以確保沒有遺漏的情況發生，若系統層面沒有問題，就可從元件層面下手，像電感元件本身的磁性分析，電腦斷層掃描也能協助處理。
車用功率元件驗證已有標準面世
相較於其他業者針對高功率電源量測分享解決方案，德凱宜特資深經理陳冠瑋則是分享了車用寬能隙標準的發展動態，在過去，AEC（汽車電子協會）並未針對寬能隙標準提供相應標準，所以AEC在今年四月特別針對該領域進行標準制訂的討論，在會中，就AEC-Q101標準，確認了功率元件本身的應力測試條件。同樣的，ISO 16750主要是鎖定車體的電子裝置本身會遭遇的環境條件，就電氣環境、機械環境、氣候環境與化學環境等標準上也做了相應的修正。基於AEC-Q101的測試標準，像是動態H3TRB（高濕高溫反向偏壓）就是針對由SiC 或GaN 製成的寬能隙元件所制訂的可靠性測試，動態H3TRB會透過環境添加濕度，這給測試帶來了新的挑戰並產生其他故障機制，所以很接近實際應用時的狀態。
第四類半導體與GaN發展潛力無窮
DIGITIMES研究中心分析師王尊民則是就第四類半導體進行探討，針對其基本條件與物理特性等，分析其未來的發展走向。王尊民分析，單就崩潰電場表現來看，Ga2O3（氧化鎵）就明顯優於SiC與GaN，這也意味著其耐受電壓的能力越高，此外不論是電阻值表現，或是長晶效率上，相較於第三類半導體，也都相當出色。尤其是長晶效率表現突出，也就意味著成本上有機會可以做大幅下降。此外，就Ga2O3的晶圓透明度上相當高，所以良率自然也會相當優異。目前在晶圓尺寸上，已有業者推出以二吋乃至於四吋的晶圓，六吋與八吋也都還在實驗階段，但產業界愈多業者投入，應有機會加速其發展，在更高功率應用上發揮其特色，發揮更佳的能源效率。
作為當天議程壓軸上場的陽明交通大學電子研究所副教授吳添立也指出，AI伺服器所需的電源其主要挑戰為高瓦數及散熱的議題，同時綜合使用GaN與SiC的伺服器電源將有助於達到高瓦數、高效率及節省空間的優勢。目前的趨勢是利用SiC/GaN的混合型 AI 伺服器電源。他引述業界相關資料，英飛凌已有利用SiC/GaN混合設計的8,000W AI伺服器電源，而Navitas也推出利用SiC/GaN混合設計的4,500W AI伺服器電源，未來在2024年底將會有10,000W AI伺服器電源問世。另外一方面，若同時使用SiC/GaN加上液冷散熱，將會有助於大幅增加電源效率及降低power loss，會是最佳的AI伺服器電源方案。
此外隨著技術發展，GaN所需要的High side與Low side端的驅動IC與GaN開關元件可以加以整合，如此可以大幅減少其不必要的寄生效應。加上GaN的耐受電壓不斷提升，就吳添立觀察，GaN將有機會與SiC在高電壓工作範圍一較長短，在電動車領域有更多的發揮。目前在陽明交大吳添立教授的實驗室，已經能將GaN的耐受電壓提升至2,000V的程度。而大尺寸的GaN（12吋/8吋）及SiC（8吋）的發展，對GaN/SiC產業來說亦是相當鼓舞的消息。
整體來說，在2024年的電源技術論壇中，產學研專家們探討了提升系統電源效率的關鍵策略，包括高效能伺服器電源設計、次世代車用電池技術，以及先進的電源晶片解決方案。AI伺服器對高效率、高密度、高功率的需求推動了CRPS的應用和SiC元件的採用；固態電池技術提升了電動車的安全性；而第四類半導體和GaN技術展現了未來在高功率應用的潛力。在可預見的未來，各個層面與環節的技術創新，將大幅提升能源效率和電源管理性能。
