2026算力服务器供电系统白皮书

WHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FORDATA CENTERS 东微半导体算力服务器供电系统白皮书 WHITE PAPER ONPOWER SUPPLY SYSTEMS FORDATA CENTERS 人工智能不再是遥远的科幻，它最近引领的技术革命将毫无疑问地带领人类文明进入全新的阶段。伴随人工智能算力需求的激增，能源已经成为制约其发展的瓶颈，因此算力服务器供电系统已经成为算力技术革命最重要的基础设施。随之而来的，算力革命中的供电系统也正面临史无前例的挑战：高昂的投资成本、宝贵的算力训练数据、有限的机柜空间、巨大的负载电流密度和剧烈变化的负载动态等等的应用特性，都对供电链路的可靠性、冗余度、能量效率、功率密度、保护速度、系统稳定性与扩展性等方面提出了前所未有的苛刻要求。 未来，公司将面向高端电源应用，打造高效、高可靠、智能化的完整电源管理系统级解决方案。算力服务器供电应用是公司核心战略发展方向。东微依托自研高性能功率半导体，结合与慧能泰数字电源管理IC的系统协同优势，致力于为客户提供有效优化算力服务器电源使用效率（PUE）并降低全生命周期总拥有成本（TCO）的系统方案。本白皮书首先梳理算力服务器供电系统面临的挑战，进而全面深度剖析东微半导体专为算力服务器各个供电环节打造的高性能供电解决方案，聚焦从电网接入到算力芯片的端到端技术创新，并展示东微未来的产品布局。 为应对这些技术挑战，工业界在电源架构、功率器件、封装技术和热管理等各个技术方向上已经展示出各类的创新方案，比如碳化硅和氮化镓第三代半导体的应用、800V高压直流总线供电架构、固态变压器（SST）、负载侧的垂直供电架构等等，这些创新不断拓展电力电子的技术边界。 功率半导体器件与各类电源管理IC是算力服务器供电系统性能实现的核心载体，其成本占电源硬件总成本五成左右。东微半导体自创立以来，始终聚焦高性能功率器件的研发与市场化推广，在数据中心、工业控制及汽车电子等高端应用场景构建了领先的品牌壁垒与市场地位，并获得国际独立咨询机构的专业认证（图表1）。此外，通过并购慧能泰这家以数字能力为核心竞争力的半导体公司，东微产品布局延伸至先进的数字电源控制芯片领域，形成功率器件与数字控制IC双核驱动的产品矩阵，打通“控制-驱动-执行”的关键功率转换链路。 缩略语： 下列缩略语适用于本白皮书：PUE：电源使用效率（Power Usage Effectiveness）TCO：生命周期总拥有成本（Total Cost of Ownership）AIDC：AI数据中心IBC：中间总线转换器（Intermediate Bus Converter）PoL：负载点（Point-of-Load）MOSFET：金属-氧化物-半导体场效应晶体管GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管SiC：碳化硅SGT：屏蔽栅MOSFET（Split Gate Transistor）SOA：安全操作区间（Safe Operating Area）DrMOS：驱动电路+MOSFET（Driver+MOSFET）LLC：电感-电感-电容谐振转换器UPS：不间断电源（Uninterruptible Power Supply）PSU：电源模块（Power Supply Unit） PHM：预测和健康管理（Prognostics and Health Management）MTBF: 平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）HVDC：高压直流HSC：混合开关电容转换器（Hybrid Switched Capacitor）SST：固态变压器（Solid-State Transformer）VRM：电压调节模块（Voltage Regulator Module）Hotswap：热插拔PFC：功率因数校正（Power Factor Correction）ZVS：零电压开关（Zero Voltage Switching）ZCS：零电流开关（Zero Current Switching）PMBus：电源管理总线（Power Management Bus）xPU：包括GPU、CPU、TPU等各种算力芯片 Contents VRM（电压调节模块） 算力服务器供电系统面临的严峻挑战 1.1指数级增长的功率需求1.2能源效率、功率密度与热管理1.3可靠性 eFuse和固态断路器（SSCB） 东微产品在算力服务器的战略价值 2.148V总线架构2.2800V总线架构和固态变压器 7.1电压等级演进7.2器件技术发展7.3技术演进时间表与产业化路径 总结 算力服务器供电系统面临的严峻挑战 01 人工智能大模型训练的计算需求不断提高处理器xPU（GPU、CPU或者TPU）的功率级别，也推动单个服务器IT机架的负载功率从传统的3-5kW猛增至100kW以上的数量级。目前商用的顶级算力训练集群如NVIDIAGB200平台的NVL72机架功率需求达到了120kW，2026年CES刚刚推出的Vera Rubin NVL72机架，由于搭载了更高性能的CPU、GPU和HBM4内存，单机架最高功率达到200kW。未来Rubin系列机架功率还会不断上升，据报道RubinUltra这样的极限配置可以让单机柜功率达到惊人的MW级别。 成本高昂的算力服务器作为支撑大规模人工智能训练与推理任务的核心基础设施，其运行连续性和服务稳定性至关重要。为保障业务不中断、数据处理高效可靠，整个数据中心必须实现99.99%甚至更高的系统可用性。这意味着全年计划外停机时间不得超过约52.6分钟。在如此严苛的可用性指标下，供电系统的可靠性成为决定整体性能和TCO的关键因素之一。 据报道，在算力服务器的供电链路中，中间总线转换器（Intermediate Bus Converter,IBC）是故障高发环节。IBC通常承担着将高压直流总线（如48V）高效、稳定地转换为适用于负载点（Point-of-Load,POL）转换器输入电压（如12V或更低）的任务，处于供电架构的中枢位置。一旦IBC发生失效，将直接导致下游大量算力加速卡xPU或其他关键计算单元断电，进而引发系统级宕机。此外，AC-DC的能量转换环节也面临电网电压质量不佳、雷击等应力冲击。 1.2能源效率、功率密度与热管理 这些应力对电源所采用的功率半导体器件（如硅MOSFET、GaN HEMT等）提出了极高的可靠性与稳定性要求。这些器件不仅需要在高频率、高功率密度、高温度梯度等严酷工况下长期稳定工作，还须具备优异的抗浪涌能力、低失效率、良好的一致性以及对制造工艺偏差和老化效应的强鲁棒性。此外，系统层面还需引入冗余设计、故障预测与健康管理（PHM）、快速故障隔离等机制，以进一步提升整体供电架构的容错能力和平均故障间隔时间（MTBF），从而满足算力服务器对极致可靠性的需求。 从全球最终电力需求的比例来看，据国际能源署（EA）估算，数据中心在2024年的用电占全球电力总需求的 1.5%，约415太瓦时 (TWh)。预计到2030年，数据中心的用电量将增长一倍以上，达到约945太瓦时，占比将达到约3%。根据焦耳定律（Ploss=I²R），在低电压架构下传输大功率会导致线路损耗呈平方倍增加。之前12V供电总线逐渐被淘汰，而目前主流的48V总线在处理未来100kW以上级别大功率时电流同样过大，不但产生巨大的能量浪费和散热难题，而且巨大铜线重量让数据中心建筑结构无法承受，不断上升的铜价使48V总线系统也不再经济。 下面我们会对算力服务器电源从交流AC输入到xPU间每一个电能转化环节的架构进行解析，其中包括AC-DC转换（一次电源，或者PSU），总线电压到板卡之间的DC-DC转换（二次电源，也叫IBC），和xPU附近供电稳压的DC-DC转换（VRM）。东微半导体为每一级功率转化都提供了高性能方案，为客户应对设计挑战带来各种选择。 IT机架的体积增加幅度和功率增长速度也不成比例，所以高功率密度设计一直是电源系统的永恒话题。这些不断增长的高效率和高功率密度的要求，使得在其他应用中已经使用的800V总线供电系统和中压交流输入的固态变压器成为意料之内的选择。如此之高的功率密度和xPU（CPU、GPU、TPU等终端处理器）负载端的电流密度也对热管理造成前所未有的挑战。 02AC-DC转换 目前方案中，算力服务器会在配电房中通过传统的中压变压器和UPS先把电网配电转换为稳定可靠的交流电，通过交流电压总线传递到IT房中的每一个IT机柜。在机柜内先经若干并联的一次电源模块（也叫PSU，Power Supply Unit）把交流电转换为稳定的直流电压总线，通过汇流排给各个计算板卡和网络板卡供电。 2.148V总线架构 在OCP（Open Compute Project）里ORv3（Open Rack V3）核心电源规范中，主流的标准PSU模块有3kW和5.5kW两种功率，输出电压约为48V。随着算力功率需求进一步升级，近期8kW、12kW甚至更大功率的PSU模块已经出现。对于3kW和5.5kW模块，输入是交流单相电，PFC部分一般通过一两相的交错图腾柱拓扑来产生一个约400V 直流母线，再通过一个高压DC-DC产生48V直流电。由于输入交流电压最低可降到180Vac，这意味着PFC必须以连续电流模式（CCM）来降低导通损耗以达到最高的效率目标。为了实现高功率密度，开关损耗更低的SiC或者GaN器件成为提高操作频率的合适选择。 对于单体12kW的PSU模块来说，传统单相交流电已经难以承载巨大的输入电流，三相交流电输入成为必须。相应的，多相交错图腾柱PFC或者维也纳PFC经常成为选择。由于更高的输入电压，PFC部分和HVDC部分也常见多电平的方式来降低单个功率器件的电压等级。下图是一种多电平的PSU实现方式，这里高压侧的功率器件用600V/650V的高压器件即可。 东微关键功率器件选型矩阵： 东微半导体凭借在高压超级结MOSFET和SiC MOSFET及新型封装方面的技术积累，正加速推动48V或者未来800V总线架构在算力服务器中的规模化落地，为下一代高能效、高可靠供电体系奠定坚实基础。 DSP布局： 工业控制DSP是电源与基础设施的“心脏”，以实时控制、高精度PWM、高速ADC为核心，适配数据中心AC-DC和DC-DC转换环节。东微半导体DSP产品自主设计整个数字架构及所有硬件加速IP模块，产品已经累计申请发明专利11项（已授权4项）、软件著作权17项、集成电路布图3项，并且产品已量产且服务多家国内知名企业。产品对标TIC2000系列，广泛适用于电源控制、电机驱动、工业网络等领域，在满足客户性能需求前提下推进核心器件国产替代与自主可控。 东微DSP产品核心优势有： 1.高分辨率PWM 最高为80ps的高分辨率HRPWM模块，解决了传统模拟设计思路中量产可靠性和一致性等问题，超越部分国际国内竞争对手。 2.更便捷的可编程逻辑资源 相较于C2000资源有限和开发方式简单的CLB模块，本产品的PLM模块可通过HDL语言输入，并以CK LUT为一个单元，实现丰富高效的调试，且在规模和实现效率中不需要DSP核或CLA核接入，大幅提升实时性。 3.全并行硬核DSP 2.2800V 总线架构和固态变压器 通过硬核DSP，实现SIN/COS/ATAN/SQRT等函数运算支持矢量、正弦/余弦、指数、平方根、公共对象等数学运算，支持浮点运算，三角函数硬件精度可达到千万分之一。插入新的硬核DSP计算指令来使得芯片设计层面非常方便且易于加入。 2027/28年左右IT机架功率会达到大几百千瓦甚至兆瓦级别，最近OCP全球算力大会上英伟达发表下一代800V算力基础设施架构的白皮书，提出800V总线供电系统会替代目前48V方案，成为系统成本、效率和复杂度比较平衡的最终选择。虽然中期也有巴拿马电源和±400V的过渡方案，但是经由中压配电网