מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב דוחפים את הנצילות במרכזי נתונים

מרכזי נתונים ממלאים תפקיד מכריע וחיוני בעולם הדיגיטלי המחובר והיותר ויותר וירטואלי. מכיוון שלמרכזי נתונים יש דרישות אנרגיה עצומות, נדרשים פתרונות הספקת-כוח היכולים להפחית את הפסדי ההספק, להגדיל את הנצילות ולשפר את הבקרה התרמית.

התעבורה באינטרנט גדלה באופן ניכר בתקופה האחרונה הודות למספר משמעותי יותר של משתמשים, שימוש נרחב בהתקנים ניידים ורשתות חברתיות ואחסון מרחוק של מידע בענן. לדברי אנליסטים, הצמיחה של התעבורה הזו עדיין צריכה להגיע לרוויה מלאה.

תחזיות צמיחה אלו מעלות שאלות בנוגע לנצילות הציוד וצריכת ההספק, הממריצות את הפיתוח של טכנולוגיות חדשות יעילות-אנרגטית להמרת הספק, כמו אלו המוצעות על ידי התקני הספקת-כוח עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב (WBG‏).

הנצילות היא מעל הכול

בנוסף לתשתית הפיזית, מרכז נתונים הוא מבנה המאכלס שרתי מחשב מחוברי-רשת עבור עיבוד אלקטרוני, אחסון והפצה של נתונים. מרכיב המפתח של מרכז נתונים הוא השרת, התקן המאחסן נתונים המספקים את האינטרנט, מחשוב ענן ורשתות אינטרנט פנימיות של החברה.

הביקוש לאנרגיה עולה עקב הנפח ההולך וגדל של נתונים דיגיטליים הנוצרים, מעובדים ומאוחסנים. בנוסף להזנת כוננים, אחסון נתונים ויחידות רשת, מרכזי נתונים זקוקים גם לציוד קירור ואוורור עזר כדי לסלק את החום הנוצר במהלך עיבוד הנתונים והמרת ההספק החשמלי.

המבנה הטיפוסי של מערכת המרת הספק המשמשת במרכז נתונים כולל מספר ממירי מתח AC/DC, DC/AC ו-DC/DC, שבהם תלויה כל הנצילות של מרכז הנתונים כולו. ישנם שני יתרונות מפתח להפחתת ההפסדים בממירים המזינים את התקני עיבוד ואחסון הנתונים. ראשית, אין צורך לספק את האנרגיה שאינה מומרת לחום; שנית, יש הפחתה באנרגיה הנדרשת לסילוק החום המבוזבז.

נצילות מרכז הנתונים נמדדת לעתים עם מדד יעילות השימוש בהספק (PUE). פותח על ידי The Green Grid כדרך סטנדרטית להשוואת השימוש באנרגיה במרכזי נתונים, ה-PUE מוגדר כיחס בין צריכת האנרגיה הכוללת במרכז הנתונים לבין צריכת האנרגיה של ציוד טכנולוגיית המידע (IT‏) בלבד.

מדד ה-PUE הוא סטטיסטי בסיסי דיו כדי לזהות תחומים עבור פיתוח. למרות שהוא לא מדד מושלם, הוא הפך לסטנדרט בתעשייה. ה-PUE צריך להיות קרוב לאחד באופן אידיאלי, כלומר מרכז הנתונים דורש חשמל רק כדי לתמוך בביקוש ה-IT שלו. עם זאת, על פי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת NREL)2‏) ה-PUE הממוצע הוא סביב 1.8. ערכי ה-PUE של מרכזי נתונים הם בתחום רחב, אך מרכזי נתונים ממוקדי-נצילות משיגים לעתים קרובות ערכי PUE של 1.2 או פחות.

ל-PUE גבוה יכולות להיות סיבות שונות, כמו הבאות:

• שרתי 'זומבי' (או 'בתרדמת') וספקי כוח אל-פסק (UPS), כלומר ציוד מופעל אך לא מנוצל במלואו. הוא מורכב מהתקנים לא-פעילים שלא-במתכוון הצורכים חשמל ללא נראות או תקשורת חיצונית
• אסטרטגיות גיבוי וקירור לא-יעילות
• מרכזי נתונים מתמקדים יותר באמינות מאשר בנצילות

הוספת דוחפי תדר משתנה (VFD) למאווררי קירור וצמצום מספר השרתים וה-UPS הן שתי שיטות נפוצות להורדת PUE. בשנים האחרונות, המעבר מארכיטקטורות V‏ 12‏ של הדורות הקודמים לפתרונות V‏ 48‏ יעילים יותר (ראו איור 1) הפחית את הפסדי ההספק המשמעותיים (הפסדי I2R‏), תוך מתן פתרונות יעילים יותר למערכות עיבוד תובעניות הדורשות יותר ויותר הספק. השימוש ב-V‏ 48‏ בארכיטקטורת הספק מביא להפסדי I2R נמוכים פי שש-עשרה. זה עוזר לעמוד בדרישות הנצילות האנרגטית התמיד-תובעניות, בהתחשב בכך ששיפור נצילות של אחוז אחד יכול לחסוך קילוואטים בכל רמת מרכז נתונים.

איור 1‏: מוליכים-למחצה WBG מעניקים ביצועים טובים יותר לעומת סיליקון. (מקור התמונה: Researchgate‏)

היתרונות של מוליכים-למחצה WBG במרכזי נתונים

למרות שסיליקון (Si) היא הטכנולוגיה המוכרת ביותר, יש לו פער-אנרגיה (Bandgap‏) קטן יותר לעומת חומרים עם פער-אנרגיה רחב (WBG) כמו גליום ניטריד (GaN) וסיליקון קרביד (SiC), המוריד את טמפרטורת הפעולה שלהם, מגביל את השימוש בהם למתחים נמוכים יותר ומפחית את המוליכות התרמית שלהם.

אימוץ התקני הספקת-כוח יעילים יותר, כגון מוליכים-למחצה WBG במקום סיליקון, יכול להיות חלופה יעילה יותר. מוליכים-למחצה WBG, כגון GaN ו-SiC, מאפשרים להתגבר על מגבלות טכנולוגיית הסיליקון, לספק מתחי פריצה גבוהים, תדר מיתוג גבוה, הפסדי הולכה ומיתוג נמוכים, פיזור חום טוב יותר ומקדם צורה קטן יותר (ראו איור 1). התוצאה היא נצילות גבוהה יותר של הספקת-הכוח ודרגות המרת ההספק. כפי שהוזכר קודם לכן, במרכז נתונים, אפילו עלייה של נקודת אחוז בודדת בנצילות יכולה להיות מתורגמת לחיסכון משמעותי באנרגיה.

GaN‏

GaN הוא קטגוריה מתפתחת של חומר עם פער-אנרגיה רחב מכיוון שיש לו פער אנרגיית אלקטרון גדול פי שלושה (eV‏ 3.4‏) לעומת סיליקון (eV‏ 1.1‏). בנוסף, ל-GaN יש ניידות אלקטרונים של פי שניים בהשוואה לסיליקון. הנצילות הידועה שאין כדוגמתה של GaN בתדרי מיתוג גבוהים ביותר מתאפשרת בזכות ניידות האלקטרונים האדירה שלו.

מאפיינים אלה מאפשרים להתקני הספקת-כוח מבוססי GaN‏ לעמוד בשדות חשמליים חזקים יותר, בגודל פיסת מוליכים-למחצה קטן יותר. טרנזיסטורים קטנים יותר ונתיבי זרם קצרים יותר תורמים להתנגדות וקיבוליות נמוכים ביותר, המאפשרים קצבי מיתוג מהירים יותר עד פי 100.

התנגדות וקיבוליות מופחתים גם מגבירים את נצילות המרת ההספק, ומעניקים יותר הספק עבור עומסי העבודה במרכזי נתונים. במקום לייצר יותר חום, אשר ידרוש יותר קירור עבור מרכז הנתונים, ניתן יהיה לבצע יותר פעולות במרכז הנתונים לכל וואט. מיתוג תדר במהירות גבוהה גם מקטין את הגודל והמשקל של רכיבים פסיביים אוגרי-אנרגיה מכיוון שכל מחזור מיתוג אוגר פחות אנרגיה באופן משמעותי. יתרון נוסף של GaN הוא היכולת שלו לתמוך בטופולוגיות שונות של ממירי הספק וספקי-כוח.

מאפייני המפתח של GaN הרלוונטיים ליישומי מרכז נתונים הם הבאים:

• תמיכה בטופולוגיות מיתוג קשה ורך
• הפעלה וכיבוי מהירים (צורת גל מיתוג GaN היא כמעט זהה לגל ריבועי אידיאלי)
• מטען התאוששות-אחורנית אפס
• בהשוואה לטכנולוגיית Si:
  • שדה פריצה גבוה יותר פי 10
  • ניידות גבוהה יותר פי 2
  • מטען יציאה נמוך יותר פי 10
  • מטען שער נמוך יותר פי 10 ותכונת Coss‏ לינארי

מאפיינים אלו מאפשרים להתקני הספק GaN‏ יצירת פתרונות המשיגים:

• נצילות גבוהה, צפיפות הספק ותדרי מיתוג
• גורם צורה מוקטן והתנגדות מצב-מופעל מופחתת
• משקל נמוך
• פעולת מיתוג כמעט ללא הפסדים.

יישום מטרה טיפוסי עבור התקני הספקת-כוח GaN מוצג באיור 2. דרגות PFC‏ Totem-Pole‏ ללא-גשר במתח גבוה ו-LLC תהודתי במתח גבוה יכולים לעמוד בדרישות המחמירות של SMPS לשרתים, ולהשיג נצילות שטוחה מעל 99% על פני תחום עומסים רחב וצפיפות הספק גבוהה.

איור 2‏: ספק כוח ממותג (SMPS‏) GaN‏ עם נצילות גבוהה עבור שרתי מרכזי נתונים (מקור: Infineon‏)

SiC‏

היסטורית, אחד היישומים הראשונים של התקני הספקת-כוח SiC‏ במרכזי נתונים התייחס לציוד UPS. UPS הוא חיוני עבור מרכזי נתונים כדי למנוע את ההשפעות העלולות להיות הרות אסון של כשל או הפרעה במתח רשת החשמל על פעילותם. יתירות הספקת-הכוח היא חיונית להבטחת רצף הפעולה והאמינות של מרכזי נתונים. אופטימיזציה של יעילות צריכת ההספק (PUE) של מרכז הנתונים היא בראש סדר העדיפויות של כל יזם ומנהל התפעול.

מקור הספקת-כוח אמין וקבוע נחוץ עבור מרכז נתונים. מערכות UPS בלתי-תלויות מתח ותדר (VFI‏) משמשות לעתים קרובות כדי לעמוד בדרישה זו. ממיר AC/DC (מיישר), ממיר DC/AC (מהפך), ו-DC Link‏ מהווים התקן VFI UPS. מתג מעקף, המשמש בעיקר במהלך תחזוקה, מחבר את יציאת ה-UPS ישירות למקור הספקת-הכוח AC בכניסה. במקרה של הפסקת חשמל, הסוללה המורכבת בדרך כלל מתאים רבים, מתחברת לממיר Buck‏ או Boost‏ המזין את הספקת-הכוח.

מכיוון שמתח החילופין בכניסה מומר למתח ישר ואז שוב למתח יציאה סינוסואידלי בדיוק, התקנים אלה הם בדרך כלל מעגלי המרה-כפולה. התוצאה מבטלת כל שינוי במתח ההספקה, ומאפשרת ל-UPS לספק לעומס אות יציב ונקי. בנוסף לבידוד המערכת ממקור הספקת הכוח, תהליך המרת המתח מגן על העומס מפני תנודות מתח.

עד לאחרונה, טרנזיסטורים ביפולריים עם שער מבודד (IGBT) עם טופולוגיות מיתוג בשלוש רמות הניבו את תוצאות הנצילות הטובות ביותר. רמות נצילות של 96% הושגו הודות לגישה זו, וזה שיפור משמעותי לעומת קודם לכן.

טרנזיסטורי סיליקון קרביד אפשרו להפחית באופן משמעותי (> 70%) את הפסדי ההספק ולהגביר את הנצילות במערכות UPS עם המרה-כפולה. הנצילות המדהימה הזו (מעל 98%) מתמידה בתרחישי עומס כבד ונמוך יותר.

ניתן להשיג תוצאות מסוג זה בגלל המאפיינים האינטרינזיים של סיליקון קרביד. בהשוואה להתקנים מסורתיים מבוססי סיליקון, כגון MOSFETs ו-IGBTs‏, SiC יכול לפעול בטמפרטורות, תדרים ומתחים גבוהים יותר.

יתרון נוסף של UPS מבוסס SiC הוא ערך הפסדי חום (או דחיית חום) טוב יותר, המאפשר פעולה בטמפרטורות גבוהות יותר. מאפיין זה מאפשר למתכננים לאמץ פתרונות קירור קומפקטיים וחסכוניים יותר. באופן כולל, UPS מבוסס SiC הוא יעיל יותר, קל יותר וקטן יותר לעומת דגם מקביל עם רכיבים מבוססי-סיליקון.

מוליכים-למחצה מבוססי-SiC יכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר לעומת מוליכים-למחצה Si מסורתיים הודות לתכונות האינהרנטיות שלהם. כך ניתן להוזיל את עלויות הקירור של הלקוח עקב הפסדי החום הנמוכים יותר של ה-UPS ויכולתו לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר.

כאשר ממקסמים את שטח הרצפה הזמין במרכז נתונים, UPS מבוסס SiC מפחית משקל וגודל בהשוואה ל-UPS הרגיל מבוסס-Si‏. יתר על כן, UPS מבוסס SiC דורש פחות שטח רצפה ומגדיל את קיבולת הספקת-כוח הזמינה באזור נתון.

סיכום

לסיכום, חומרי WBG, כמו GaN ו-SiC, הם מוליכים-למחצה מתפתחים שיקבעו מסלול חדש עבור אלקטרוניקת הספק ביישומים תובעניים כמו מרכזי נתונים. היתרונות שלהם כוללים נצילות מערכת מוגברת, דרישות מערכת קירור נמוכות יותר, פעולה בטמפרטורות גבוהות יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר. עם השילוב של התקני הספק GaN ו-SiC בממירי מתח וספקי כוח, מושגות המטרות של מפעילי מרכזי נתונים להשיג נצילות גבוהה יותר, למקסם את שטח הרצפה ולהפחית את עלויות התפעול ברחבי המתקן.