สารกึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้างเพิ่มประสิทธิภาพในศูนย์ข้อมูล

ศูนย์ข้อมูลมีบทบาทสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งในโลกดิจิทัล เสมือนจริง และมีการเชื่อมต่อกัน เนื่องจากศูนย์ข้อมูลต้องใช้พลังงานจำนวนมาก จึงจำเป็นต้องมีโซลูชั่นด้านพลังงานที่สามารถลดการสูญเสียพลังงาน เพิ่มประสิทธิภาพ และเพิ่มการควบคุมความร้อน

การรับส่งข้อมูลบนอินเทอร์เน็ตเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงเวลาที่ผ่านมา เนื่องจากมีผู้ใช้จำนวนมากขึ้น การใช้อุปกรณ์เคลื่อนที่และเครือข่ายสังคมออนไลน์อย่างแพร่หลาย และการจัดเก็บข้อมูลระยะไกลในระบบคลาวด์ ซึ่งนักวิเคราะห์ระบุว่าการเติบโตของการรับส่งข้อมูลนี้ยังคงต้องถึงจุดอิ่มตัว

การคาดการณ์การเติบโตเหล่านี้ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์และปริมาณการใช้ไฟฟ้า ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีการแปลงพลังงานแบบใหม่อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับเทคโนโลยีจากอุปกรณ์แถบพลังงานกว้าง (WBG)

ประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

นอกเหนือจากโครงสร้างพื้นฐานทางกายภาพแล้ว ศูนย์ข้อมูลยังเป็นโครงสร้างที่มีเซิร์ฟเวอร์คอมพิวเตอร์เครือข่ายสำหรับการประมวลผลทางอิเล็กทรอนิกส์ การจัดเก็บ และการกระจายข้อมูล องค์ประกอบหลักของศูนย์ข้อมูลคือเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จัดเก็บข้อมูลที่ขับเคลื่อนอินเทอร์เน็ต คลาวด์คอมพิวติ้ง และอินทราเน็ตขององค์กร

ความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นเนื่องจากปริมาณข้อมูลดิจิทัลที่สร้างขึ้นมา ประมวลผล และจัดเก็บเพิ่มขึ้น นอกเหนือจากรางจ่ายไฟ อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล และยูนิตเครือข่ายแล้ว ศูนย์ข้อมูลยังต้องการอุปกรณ์ระบายความร้อนและระบายอากาศเสริม เพื่อขจัดความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการประมวลผลข้อมูลและการแปลงพลังงานไฟฟ้า

โครงสร้างทั่วไปของระบบการแปลงพลังงานที่ใช้ในศูนย์ข้อมูลประกอบด้วยตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า AC/DC, DC/AC และ DC/DC หลายตัว ซึ่งขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของศูนย์ข้อมูลทั้งหมด การลดการสูญเสียในตัวแปลงที่จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ประมวลผลและจัดเก็บข้อมูลมีประโยชน์หลักสองประการ ประการแรก ไม่จำเป็นต้องจัดหาพลังงานที่ไม่ก่อให้เกิดความร้อน ประการที่สอง มีการลดพลังงานที่ต้องใช้ในการกำจัดความร้อนเหลือทิ้ง

ประสิทธิภาพของศูนย์ข้อมูลมักถูกวัดด้วยค่าประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (PUE) ซึ่งค่า PUE ได้รับการพัฒนาโดย The Green Grid เพื่อเป็นแนวทางมาตรฐานในการเปรียบเทียบการใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูล โดยกำหนดเป็นอัตราส่วนการใช้พลังงานโดยรวมของศูนย์ข้อมูลต่อการใช้พลังงานของอุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ (IT)

การวัดค่า PUE เป็นสถิติพื้นฐานเพียงพอที่จะระบุพื้นที่สำหรับการพัฒนา แม้จะไม่ใช่ค่าที่สมบูรณ์แบบ แต่ก็กลายเป็นค่าที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ตามหลักการแล้ว PUE ควรมีความเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าศูนย์ข้อมูลต้องการเพียงไฟฟ้าเพื่อรองรับความต้องการด้านไอทีเท่านั้น อย่างไรก็ตาม จากข้อมูลของ National Renewable Energy Laboratory (NREL)2 ค่าเฉลี่ย PUE อยู่ที่ประมาณ 1.8 ซึ่งค่า PUE ของศูนย์ข้อมูลมีค่ากว้าง แต่ศูนย์ข้อมูลที่เน้นประสิทธิภาพมักมีค่า PUE อยู่ที่ 1.2 หรือน้อยกว่า

ค่า PUE สูงอาจมีสาเหตุหลายประการ ดังต่อไปนี้:

• เซิร์ฟเวอร์ 'Zombie' (หรือ ' Comatose') และอุปกรณ์ไฟฟ้าสำรอง (UPS) หมายถึงอุปกรณ์เปิดอยู่แต่ไม่ได้ใช้งานเต็มที่ ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่มีการใช้งานโดยไม่ได้ตั้งใจที่ใช้ไฟฟ้าโดยที่เรามองไม่เห็นหรือไม่มีการสื่อสารจากภายนอก
• วิธีการสำรองข้อมูลและการระบายความร้อนที่ไม่มีประสิทธิภาพ
• ศูนย์ข้อมูลให้ความสำคัญกับความน่าเชื่อถือมากกว่าประสิทธิภาพ

การเพิ่มตัวแปลงความถี่ (VFD) ให้กับพัดลมระบายความร้อนและการลดจำนวนเซิร์ฟเวอร์และ UPS เป็นสองวิธีทั่วไปที่ใช้ในการลด PUE ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเปลี่ยนจากสถาปัตยกรรม 12 V รุ่นเก่าไปเป็นโซลูชัน 48 V ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น (ดูรูปที่ 1) ได้ลดการสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ (การสูญเสีย I2R) ทำให้ระบบการประมวลผลที่ต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นด้วยโซลูชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การใช้ 48 V ในสถาปัตยกรรมพลังงานส่งผลให้การสูญเสีย I2R ลดลงถึงสิบหกเท่า สิ่งนี้ช่วยตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพพลังงานที่เรียกร้องตลอดเวลา โดยพิจารณาว่าการปรับปรุงประสิทธิภาพหนึ่งเปอร์เซ็นต์สามารถช่วยประหยัดพลังงานได้หลายกิโลวัตต์ในระดับศูนย์ข้อมูลทั้งหมด

รูปที่ 1: สารกึ่งตัวนำ WBG ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าซิลิกอน (แหล่งที่มาภาพ: Researchgate)

ประโยชน์ของสารกึ่งตัวนำ WBG ในศูนย์ข้อมูล

แม้ว่าซิลิกอน (Si) จะเป็นเทคโนโลยีที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด แต่ก็มีแถบพลังงานที่แคบกว่าวัสดุแถบพลังงานกว้าง (WBG) เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิในการทำงาน และจำกัดการใช้งานให้ต่ำลง แรงดันไฟฟ้าและลดการนำความร้อน

การใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น การใช้สารกึ่งตัวนำ WBG แทนซิลิกอน อาจเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่า สารกึ่งตัวนำ WBG เช่น GaN และ SiC ช่วยให้สามารถเอาชนะข้อจำกัดของเทคโนโลยีซิลิกอน ให้แรงดันไฟฟ้าเบรกดาวน์สูง ความถี่สวิตชิ่งสูง การสูญเสียการนำไฟฟ้าและสวิตชิ่งต่ำ การกระจายความร้อนที่ดีขึ้น และขนาดที่เล็กลง (ดูรูปที่ 1) ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟและขั้นตอนการแปลงพลังงานสูงขึ้น ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มประสิทธิภาพในศูนย์ข้อมูลเพียงเปอร์เซ็นต์เดียวก็สามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมาก

GaN

GaN เป็นคลาสวัสดุแถบพลังงานกว้างแบบใหม่ เนื่องจากมีแถบอิเล็กตรอนที่ใหญ่กว่า (3.4 eV) ถึงสามเท่าเมื่อเทียบกับซิลิกอน (1.1 eV) นอกจากนี้ GaN ยังมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับซิลิกอน ประสิทธิภาพที่เป็นที่รู้จักและไม่มีใครเทียบได้ของ GaN ที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงมากเกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างมหาศาล

คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ GaN ทนต่อสนามไฟฟ้าที่แรงขึ้นในขนาดที่เล็กลง ทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงและเส้นทางกระแสที่สั้นลงส่งผลให้มีความต้านทานและความจุต่ำเป็นพิเศษ ช่วยให้อัตราการสวิชชิ่งเร็วขึ้นถึง 100 เท่า

ความต้านทานและความจุที่ลดลงยังเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน ทำให้มีพลังงานมากขึ้นสำหรับปริมาณงานในศูนย์ข้อมูล แทนที่จะผลิตความร้อนมากขึ้น ซึ่งจะต้องมีการระบายความร้อนในศูนย์ข้อมูลมากขึ้น การทำงานของศูนย์ข้อมูลต่อวัตต์อาจทำได้มากขึ้น การสวิตช์ความถี่สูงยังลดขนาดและน้ำหนักของส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่เก็บพลังงาน เนื่องจากแต่ละรอบการสวิตช์จะเก็บพลังงานน้อยลงอย่างมาก ข้อดีอีกอย่างของ GaN คือความสามารถในการรองรับตัวแปลงพลังงานและโทโพโลยีแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกัน

คุณสมบัติที่สำคัญของ GaN ที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานในศูนย์ข้อมูลมีดังต่อไปนี้:

• รองรับโทโพโลยีการสวิตช์แบบฮาร์ดและแบบซอฟต์
• การเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว (รูปคลื่นการสวิตช์ของ GaN เกือบจะเหมือนกับคลื่นสี่เหลี่ยมในอุดมคติ)
• การชาร์จฟื้นคืนแบบย้อนกลับเป็นศูนย์
• เมื่อเทียบกับเทคโนโลยี Si:
  • ฟิลด์เบรกดาวน์ที่สูงขึ้น 10 เท่า
  • ความคล่องตัวสูงขึ้น 2 เท่า
  • ชาร์จเอาท์พุตลดลง 10 เท่า
  • ค่าชาร์จเกทที่ต่ำกว่า 10 เท่าและลักษณะเป็นเชิงเส้น

คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN สามารถสร้างโซลูชันที่มี:

• ประสิทธิภาพสูง ความหนาแน่นของพลังงานสูง และความถี่การสลับสูง
• ขนาดและค่าความต้านทานระหว่างเดรนกับแหล่งจ่ายรีเลย์ระหว่างการทำงานที่ลดลง
• น้ำหนักน้อย
• การสวิตช์ที่แทบจะไม่มีการสูญเสีย

การใช้งานเป้าหมายทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN แสดงในรูปที่ 2 สเตจ PFC เสาโทเท็มไร้บริดจ์แรงดันสูงและสเตจเรโซแนนต์ LLC แรงดันสูงเหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของเซิร์ฟเวอร์ SMPS ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพคงที่ที่สูงกว่า 99% ในช่วงโหลดที่กว้างและความหนาแน่นของพลังงานสูง

รูปที่ 2: แหล่งจ่ายไฟสวิตช์โหมด GaN ประสิทธิภาพสูง (SMPS) สำหรับเซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูล (ที่มา: Infineon)

SiC

ในอดีตหนึ่งในการใช้งานแรก ๆ ของอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ในศูนย์ข้อมูลคืออุปกรณ์ UPS โดย UPS เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับศูนย์ข้อมูลในการป้องกันผลกระทบร้ายแรงที่อาจเกิดขึ้นจากความผิดพลาดของแรงดันไฟหลักหรือการหยุดชะงักในการทำงาน การมีแหล่งจ่ายไฟสำรองมีความสำคัญต่อการรับประกันความต่อเนื่องในการดำเนินงานและความน่าเชื่อถือของศูนย์ข้อมูล การปรับประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (PUE) ของศูนย์ข้อมูลให้เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรกของผู้ประกอบการทุกรายและการจัดการการดำเนินงาน

แหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้และคงที่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับศูนย์ข้อมูล ระบบ UPS ที่ไม่ขึ้นกับแรงดันและความถี่ (VFI) มักถูกใช้เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ ตัวแปลง AC/DC (วงจรเรียงกระแส), ตัวแปลง DC/AC (อินเวอร์เตอร์) และ DC link ประกอบด้วยอุปกรณ์ VFI UPS โดยสวิตช์บายพาสที่ใช้เป็นหลักในระหว่างการบำรุงรักษา เชื่อมต่อเอาต์พุตของ UPS โดยตรงกับแหล่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับที่อินพุต ในกรณีที่ไฟฟ้าหลักขัดข้อง โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่จะประกอบด้วยเซลล์จำนวนมาก เชื่อมต่อกับบัคหรือบูสต์คอนเวอร์เตอร์ และจ่ายไฟให้กับแหล่งจ่ายไฟ

เนื่องจากแรงดันไฟกระแสสลับที่อินพุตถูกแปลงเป็นแรงดันไฟกระแสตรง และจากนั้นแปลงอีกครั้งเป็นแรงดันเอาต์พุตสัญญาณไซน์ที่แม่นยำ อุปกรณ์เหล่านี้จึงมักเป็นวงจรการแปลงสองครั้ง ผลลัพธ์ที่ได้ช่วยลดความผันแปรของแรงดันไฟฟ้า ทำให้ UPS สามารถให้สัญญาณโหลดที่สม่ำเสมอและสะอาด นอกเหนือจากการแยกระบบออกจากแหล่งพลังงานแล้ว กระบวนการแปลงแรงดันไฟฟ้ายังป้องกันโหลดจากความผันผวนของแรงดันไฟฟ้า

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบเกตหุ้มฉนวน (IGBT) ที่มีโทโพโลยีสวิตชิ่งสามระดับให้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด บรรลุระดับประสิทธิภาพ 96% ด้วยวิธีนี้ ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่สำคัญกว่ารุ่นที่ใช้หม้อแปลงรุ่นก่อนหน้า

ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมาก (> 70%) และเพิ่มประสิทธิภาพในระบบ UPS แบบ Double-Conversion ประสิทธิภาพที่โดดเด่นนี้ (มากกว่า 98%) ยังคงมีอยู่ในสถานการณ์ที่มีโหลดน้อยและมีน้ำหนักมาก

ผลลัพธ์ดังกล่าวมาจากคุณสมบัติที่แท้จริงของซิลิกอนคาร์ไบด์ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิม เช่น MOSFET และ IGBT แล้ว SiC สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิ ความถี่ และแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า

ประโยชน์เพิ่มเติมของ UPS ที่ใช้ SiC คือค่าการสูญเสียความร้อน (หรือการระบายความร้อน) ที่ดีกว่า ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ คุณลักษณะนี้ช่วยให้นักออกแบบเลือกใช้โซลูชันระบายความร้อนที่มีขนาดกะทัดรัดและประหยัดมากขึ้น โดยรวมแล้ว UPS ที่ใช้ SiC มีประสิทธิภาพมากกว่า น้ำหนักเบากว่า และมีขนาดเล็กกว่ารุ่นเทียบเท่าที่มีส่วนประกอบเป็นซิลิกอน

สารกึ่งตัวนำที่ใช้ SiC สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าสารกึ่งตัวนำ Si แบบดั้งเดิมเนื่องจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติ ดังนั้น ต้นทุนการระบายความร้อนของลูกค้าจึงลดลงได้ เนื่องจาก UPS สูญเสียความร้อนน้อยลงและความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น

เมื่อเพิ่มพื้นที่ว่างในศูนย์ข้อมูลให้ได้มากที่สุด UPS ที่ใช้ SiC จะมีน้ำหนักและขนาดที่ลดลงเมื่อเทียบกับ UPS ที่ใช้ Si ทั่วไป ยิ่งไปกว่านั้น UPS ที่ใช้ SiC ต้องการพื้นที่น้อยลงเพื่อเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าในพื้นที่ที่กำหนด

สรุป

สรุปได้ว่าวัสดุ WBG เช่น GaN และ SiC เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งจะทำให้เกิดวิถีใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในการใช้งานที่มีความท้าทายสูง เช่น ศูนย์ข้อมูล ประโยชน์ที่ได้รับ ได้แก่ ประสิทธิภาพของระบบที่เพิ่มขึ้น ความต้องการระบบระบายความร้อนที่ลดลง การทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น เป้าหมายของผู้ปฏิบัติงานในศูนย์ข้อมูลคือการได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เพิ่มพื้นที่สูงสุด และลดต้นทุนการดำเนินงานในศูนย์ จากการใช้อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN และ SiC ในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและอุปกรณ์จ่ายไฟ