每當我們觀看最新電影，與 AI 語音助手交談，或者在家使用筆記本電腦參加商務會議時，我們都會通過數(shù)據(jù)中心推送大量數(shù)字信息，并使用耗電量超大的資源，而且這方面的使用量有增無減。
2022 年，全世界共創(chuàng)建并使用了近 100ZB(100 萬億 GB)的數(shù)據(jù)。到 2025 年，這片浩瀚無邊的比特海洋預計幾乎翻一番。而且這些數(shù)據(jù)日益通過超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運行，每個數(shù)據(jù)中心都塞滿了數(shù)千臺服務器。
美國政府在 2018 年，也就是最后一年進行計算的時候，估計數(shù)據(jù)中心的能源需求為每年 70 太瓦時。自那以后，僅區(qū)塊鏈挖礦的增長就使能源需求數(shù)據(jù)翻了一倍多。美國數(shù)據(jù)中心能源效率專業(yè)知識中心 (Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers) 稱，目前數(shù)據(jù)中心的耗電量可能至少占美國總耗電量的 2%。這足以對環(huán)境產(chǎn)生重大影響，也使實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心更可持續(xù)運行的目標更加緊迫。
Robert Taylor 是 TI 的一名系統(tǒng)經(jīng)理，專門從事工業(yè)電源管理。他表示，為了處理爆炸式增長的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)中心的服務器不斷發(fā)展，每臺服務器的耗電量也在不斷增加：前幾年平均每臺服務器為 1,500 瓦，較新的服務器增加到了平均 3,000 瓦每臺。
提高功率密度，進而提高服務器電源單元 (PSU) 的效率，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心更高效運行的一種方式。
Robert 認為，升級服務器 PSU 的緊迫性更高。因為數(shù)據(jù)中心日益增長的電力需求正遭遇瓶頸：大多數(shù)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心無法提供超過 50 兆瓦的電力。
“由于這些數(shù)據(jù)中心的總電量有限，數(shù)據(jù)中心需要將盡可能少的電用在冷卻和因電子設備低效而造成的損耗上，”Robert 表示。
同時，他也表示，服務器行業(yè)正在追求更小的印刷電路板占用空間，以便提高每個機架的算力。這意味著服務器中的功率元件必須變得更小、更高效，而且不會產(chǎn)生過多的熱量。
TI 在生產(chǎn)創(chuàng)新的半導體電源產(chǎn)品方面處于領先地位，能夠滿足當前和未來幾代前沿數(shù)據(jù)中心所需的超高性能、效率和熱管理需求。即便是超大規(guī)的模數(shù)據(jù)中心，最終產(chǎn)生的電能也能以更可持續(xù)的方式幫助它們平穩(wěn)運行。
處理更高的功率和溫度
半導體電源高性能、高能效的關鍵是實現(xiàn)更高水平的功率密度，也就是能在更小的體積中提供更高的功率處理能力。但更高的功率密度也會在較小的體積中產(chǎn)生更多熱量，這就需要先進的熱管理技術來維持性能和保護元件。
并不是只有數(shù)據(jù)中心需要更高的功率密度。電網(wǎng)、通信設備、電動汽車和個人電子產(chǎn)品的電子系統(tǒng)也需要由密度更大、熱效率更高的電源芯片提供的性能和效率。
使用高效封裝減少產(chǎn)熱量
TI 正加快攻克挑戰(zhàn)，為服務器電源芯片提供更高的功率密度。帶有集成開關的小外形晶體管 (SOT) 封裝可提高功率密度和性能，同時降低成本。
如果沒有創(chuàng)新的熱管理方法，就不可能取得這樣的進步。為了優(yōu)化熱性能并突破芯片級功率密度限制，我們主要關注三個關鍵領域：工藝技術、電路設計技術和熱優(yōu)化封裝。
服務器中產(chǎn)生的許多熱量來自功率損耗，這種損耗是由于將輸入的 400V 交流電轉換為 6V 或更低的直流電所致。諸如 TLVM13630 電源模塊之類的產(chǎn)品使用我們具有集成式場效應晶體管 (FET) 的增強型 Hotrod? 四方扁平無引線 (QFN) 封裝技術，可提供快捷的開關速度和更低的電阻，從而大幅降低上述功率損耗、提高芯片效率，進而減少散熱。
“器件中的任何電阻都會拉低效率，既浪費了電力又產(chǎn)生了額外的熱量”，TI 的 QFN 和 SOT 封裝開發(fā)部總監(jiān) Les Stark 說。
為進一步減少產(chǎn)生額外熱量的功率損耗，TI 將充分利用業(yè)界卓越的功能，例如將 FET 和電容器等更多元件集成到電源芯片中。與具有超低導通電阻的 TPS25985 電子保險絲一樣，這種集成使開關速度更快且更高效，并減少了噪聲，能夠在實現(xiàn)高達 80A 電流的同時提供更出色的熱性能。在某些情況下，TI 通過在芯片上進行元件三維堆疊，實現(xiàn)了更高的集成度。
利用熱增強型封裝有效散熱
TI 還率先通過創(chuàng)新的器件封裝為芯片散熱。例如，TI 開創(chuàng)了使用倒裝芯片式封裝將芯片表面及其連接器直接連接至電路板、而不是依靠鍵合線將信號送入和送出芯片的 HotRod 和增強型 HotRod QFN 封裝。這種更直接的連接可以高效地將熱量從芯片轉移到電路板上。
“這種封裝設計提供了以前認為不可能的大接地焊盤，從而在器件到印刷電路板之間形成了良好的散熱路徑，”Les 說。
TI 其他先進的散熱方法包括通過更有效的散熱器放置，實現(xiàn)更出色的頂部冷卻。我們的氮化鎵 (GaN) FET 采用頂部冷卻封裝。隨著提高每臺服務器算力的需求，衍生出全新的、需要更多芯片散熱方法的更密集元件布置，這種封裝在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的重要性日益凸顯。
“由于 GaN 能幫助我們實現(xiàn)更高的功率密度，這種靈活的冷卻方法將變得更加重要，”Robert 說。
在微型芯片中，任何一種提效和散熱方法都可以顯著改善熱管理和效率。通過優(yōu)化封裝的大小和效率，我們可幫助解決數(shù)據(jù)中心客戶的散熱問題，并減少對環(huán)境的影響。
（德州儀器）
