AI时代的芯片机会，罗姆怎么看？

过去几年人工智能的浪潮不但让英伟达和AMD这样的算力厂商业绩暴涨，三星和SK海力士等存储厂商也收获颇丰，就连博通和Marvell等厂商也凭借定制业务和互联产品等优势成为人工智能时代的另一批受惠者。此外，诸如光模块供应商、线缆供应商、服务器制造商、芯片制造商，甚至芯片设备供应商等产业链参与者也乘势成为了AI弄潮儿。
 
由于AI产业链庞大，供应商众多，我们并不能在一个报道中尽数详述。但从罗姆半导体（上海）有限公司深圳分公司技术中心总经理水原徳健先生的介绍看来，这其中必然有功率器件供应商的一席之地。
 
AI服务器需求猛增，电量问题凸显
 
无论是传统的服务器，还是新兴的AI服务器，都需要供电，这是一个毫无争议的事实。但和过往不一样，AI时代的基础设施建设越来越多，相应的AI芯片也有了越来越大的功率，这就让与之密切相关的能源问题，成为全球关注的重点。
 
水原徳健先生也承认，AI服务器的发展，最大的问题就是它的耗电量会激增。他引述相关数据介绍说，到2030年，AI耗电量将激增至约1000TWh，至少消耗全球10%的电力。对于能源供应的充沛的国家而言，这可能不是问题。但对于一些本来就供应有限且扩展缓慢地方来说，这个带来的问题就非常严峻。
 


面对这个问题，如水原徳健先生所说，就需要从两个方向去解决：一是发更多的电；二是降低AI服务器的耗电。不过，受困于建造的成本和复杂性，发电增加供应的提升幅度不大。于是，行业便把工作重点放在后者，进而驱动相关的芯片供应商去打造低能耗的解决方案。
 
英伟达作为这波AI浪潮的风口浪尖，其芯片的功率以及系统的功耗，就成为了解决这个问题主要切入点。如图所示，随着GPU升级频率缩短到一年、GPU功率的提升，叠加集群建设规模越来越大，带来的功耗挑战显而易见。
 

 
在水原徳健看来，耗电量增加带来以下五个方面的影响：
 
1.电力损耗增加：需要能够提供低电压、高输出功率的大电流。然而，电缆内的电阻损耗导致能源浪费和发热量增加； 

2.物理限制：需要能够承载大电流的粗重铜质电缆、空间问题、数据中心的重量以及投资成本增加等； 

3.散热设计：电力消耗和功率损耗会转化为热能，需要构建高效液体冷却系统； 

4.可扩展性的极限：以往的架构要实现100kW以上的高功率密度存在物理上的难题。电源插座、线缆等也需要改进； 

5.运营成本增加：数据中心运营成本中近六成是电费。耗电量增加和功率损耗导致成本上升；
 
“对于未来的1MW机架而言，现有机架已达极限，可实现高效率、高功率密度的高电压供电系统升级已成必然趋势。”水原徳健总结说。为了改善这些问题，AI服务器厂商也推陈出新。其中一个做法就是把电压升上去，将电流降低，以实现节省铜使用的目的。如微软、Meta、谷歌等企业在Open Compute Project联合推动的±400V DC和英伟达推动的800VDC系统，就是这类方法的典型。
 
水原徳健总结说，无论是哪种方案，高压是今后的必然趋势。于是，如何提升电源侧的效率，就成为了厂商工作的重点。具体到半导体厂商方面，就需要做到以下三个方面：首先，提供可实现更高效率和更高功率密度的高性能功率电子技术及产品；其次，为尽快引入+800/±400V DC而推进技术探讨与协作举措；再者，针对多样化技术需求的灵活且快速的系统提案能力，以及全球化QCDS体系。
 
有见及此，全球屈指可数的、同时拥有SiC/GaN元器件及驱动控制模拟技术的日本半导体制造商罗姆半导体正在全力以赴。
 
模拟+功率，双线进攻
 
据介绍，罗姆半导体的主要营收来自IC和功率半导体，这两者贡献了公司接近90%的营收。于是，罗姆制定了以功率电子和模拟为核心实现在汽车领域的增长，同时强化工业设备和消费电子及其他（服务器、家电等）业务板块，构建均衡发展的产品组合的发展战略。
 
与此同时，公司还将发力感测领域用的光学元器件业务，将其发展成为下一代业务支柱。
 

 
基于这些产品和技术，罗姆能够为AI服务器提供全面的解决方案。
 
水原徳健以功率器件为例指出，得益于在硅、碳化硅和氮化镓三样材料的投入和积累，罗姆打造了多样化的产品系列，能在面对无论低功率或高功率、还是低频或者高频应用时，都有相应的解决方案可以提供。与此同时，罗姆还提供与之相配套的驱动器、AC/DC或DC/DC，用更完整的解决方案解决AI服务器中的电源问题。
 
例如针对800V的应用，罗姆正在基于自身的功率器件和IC技术积累，和台达等领先厂商合作。
 

 
如上图所示，在AI服务器中有电源侧和IT机架侧。其中，前者目前主要用的是硅。但随着解决方案走向800V高压，使用全套SiC解决方案就能提供高效的支持，这正是罗姆所擅长的。据介绍，罗姆目前已经推出了四代的SiC产品。第5代样品已开始出货，明年将投入批量生产。据介绍，第5代SiC产品将高温条件下的RonA（导通电阻）降低约30%，支持AI服务器所要求的在高温环境及高负载工况下的低损耗运行。而负栅极电压偏置额定值（Vgsn）范围扩大，可支持推荐关断驱动电压-5V（Vgsn直流额定值为-7V）的工作条件。
 

 
在降低导通损耗和导通电阻的同时，罗姆在SiC的封装上也花费了不少功夫。例如在电源方面，罗姆就提供了容易设计且更小型号的TO-220和TO-247封装产品。此外，公司还推出了将两个SiC并在一起的DOT-247的封装产品。如果要用到6颗TO-247产品，罗姆也有类似HSDIP20的小型模块提供。总而言之，针对各种各样的需求，罗姆已经提供了贴片、插件等多样化的产品支持。
 
针对IT机架这一侧，罗姆除了能在一次侧提供高压高效的碳化硅和氮化镓产品外，还能在二次侧提供开关损耗低、导通电阻低的产品。
 

 
针对AI服务器中有热插拔的需求，罗姆提供了关键MOSFET、电流检测电阻和热插拔控制器等产品的支持。
 


如下图所示，罗姆的100V耐压功率MOSFET “RY7P250BM”和“RS7P200BM” ，非常适用于48V热插拔电路。“它的SOA范围比较宽，导通电阻低，这就让其成为了AI服务器电源的首选应用。”水原徳健说。
 
 
 
其中，RY7P250BM拥有标准8080尺寸封装、同时实现业界超宽SOA范围和超低导通电阻（RDS(on)）和被全球知名主流云平台企业认证为推荐器件等特性；RS7P200BM则具备小一号的5060尺寸封装、同时实现业界超宽SOA范围和超低导通电阻（RDS(on)）等特征。
 

 
水原徳健总结说，一方面，罗姆是屈指可数的同时拥有SiC、GaN、Si及LSI业务的的半导体制造商，能通过与全球头部企业建立的合作伙伴关系，致力于为AI服务器市场贡献力量；另一方面，罗姆可以提供的产品不仅包括以高功率效率和高功率密度助力降低功耗的SiC、GaN产品，还包括适用于HSC的Si MOSFET、隔离型栅极驱动器和电源IC等外围元器件，可满足最新AI服务器的多样化需求。
 
基于这些领先产品和布局，水原徳健重申，罗姆的功率元器件×模拟技术助力满足AI服务器的高电压趋势与节能化需求。罗姆也能为实现应用AI技术的丰富多彩的未来社会贡献力量。