Khối lượng công việc tính toán tăng nhanh do trí tuệ nhân tạo (AI) thúc đẩy đang đẩy nhu cầu năng lượng tăng trưởng với tốc độ chưa từng có, vượt quá 50% CAGR từ năm 2024 đến năm 2028. Sự gia tăng này đang dẫn đến mức tiêu thụ điện năng hàng trăm gigawatt và buộc ngành công nghiệp phải đẩy nhanh chu kỳ phát triển nền tảng, hiện nay chỉ phát hành các máy chủ mới sau mỗi 12-15 tháng thay vì chu kỳ 30 tháng truyền thống.

Nhu cầu điện năng ở cấp độ SoC AI (xPU) đang tăng lên nhanh chóng một cách đáng kinh ngạc, vượt quá vài kilowatt đối với các thiết bị bắt đầu sản xuất vào đầu năm 2026. Trong kỷ nguyên điện toán song song của AI, nhu cầu điện năng đang tăng gấp đôi mỗi năm, vượt xa các xu hướng tăng trưởng trước đây.

Ở cấp độ tủ rack, điều này tạo ra nhu cầu cơ bản về một phương pháp phân phối điện khác có khả năng xử lý mức tải cao hơn nhiều. Ví dụ, tủ rack NVL72 hiện tại sử dụng Nvidia Blackwell tiêu thụ khoảng 130 kW, nhưng thế hệ tiếp theo dự kiến ​​sẽ có công suất khoảng 300 kW.

Với hệ thống NLV144 dựa trên Rubin có khả năng tăng gấp đôi mật độ GPU và các cấu hình NVL576 trong tương lai đạt gần 1 MW mỗi rack, việc tăng điện áp phân phối trở nên rất quan trọng để giảm thiểu tổn thất. Điều này thúc đẩy sự chuyển đổi từ bus OCP 48 V tiêu chuẩn sang bus DC 800 V được phân phối qua hai dây dẫn, hoặc cuối cùng là hệ thống ±400 V cộng với nối đất (Hình 1).

Khi công suất trong các tủ rack máy tính tăng lên và lan rộng khắp trung tâm dữ liệu, việc đặt các tầng chuyển đổi AC/DC trong cùng một tủ rack trở nên không còn khả thi. Các tủ rack "SideCar" chuyên dụng mới đang xuất hiện để chuyển đổi điện áp 415 Vac đầu vào thành 800 V DC. Nguồn điện 415 Vac này bắt nguồn từ các PDU của trung tâm dữ liệu, đi qua UPS AC, và được cấp nguồn bởi nguồn điện 480 Vac từ bảng chuyển mạch chính được kết nối với lưới điện trung thế (13,8–35 kVac).

Ngành công nghiệp, từ các thiết kế tham chiếu OEM đến các thiết kế ODM mới do các nhà cung cấp điện toán đám mây quy mô lớn thúc đẩy và các nhà sản xuất nguồn điện, đang chuyển dịch toàn diện sang kiến ​​trúc mới này. Các phương pháp lai và truyền thống sẽ vẫn chỉ là tạm thời, bao gồm cả các giá đỡ vẫn chấp nhận đầu vào AC và tạo ra điện áp 800V cho số lượng GPU nhỏ hơn, nhưng hệ sinh thái đang hội tụ về các mô hình tiêu chuẩn hóa phù hợp với các sáng kiến ​​OCP.

Trong giá đỡ xử lý, cơ sở hạ tầng hiện có vẫn dựa trên điện áp 48 V, đòi hỏi các bộ chuyển đổi hiệu suất cao, mật độ cao để hạ áp từ 800 V. Renesas đã đóng góp một thiết kế tham chiếu 6 kW cho kiến ​​trúc dạng phiến 12 kW được xây dựng trên các FET GaN 650 V trong bao bì TOLT và MOSFET 80 V trong gói QFN 5×6 mm. Sử dụng cấu trúc liên kết LLC không điều khiển với DTX chuyển mạch trên 900 kHz, thiết kế này đạt hiệu suất đỉnh trên 98% và mật độ công suất trên 2,5 kW/in³, theo tất cả các PoC của Renesas, bao gồm sơ đồ mạch, bố cục BOM và dữ liệu thử nghiệm.

Ở điện áp dưới 48 V, kiến ​​trúc về cơ bản vẫn không thay đổi; tuy nhiên, dòng tải SoC tăng vọt lên gần 4 kA đòi hỏi các phương pháp phân phối điện mới (Hình 3 và 4). Định tuyến điện ngang truyền thống không còn đủ; Phân phối điện theo chiều dọc (VPD) đang nổi lên, có thể đạt được thông qua các tầng công suất nhỏ gọn, nhiều pha hoặc bằng cách tích hợp các cuộn cảm vào cấu trúc 3D.

Renesas hỗ trợ điều này bằng các bộ điều khiển đa pha hoàn toàn kỹ thuật số, cung cấp giao diện đa giao thức, tối đa bốn vòng điều khiển và hiệu suất quá độ hàng đầu với TLVR. Bổ sung cho điều này là mô-đun Smart Power Stage, cung cấp tốc độ lên đến 100 A mỗi pha, có sẵn trong các gói đa đơn vị tích hợp hoặc cấu trúc 3D tích hợp, cho phép các giải pháp VPD mật độ pha với mật độ dòng điện 2 A/mm².

Các giải pháp này được hỗ trợ bởi một hệ sinh thái toàn diện bao gồm mô phỏng trước khi bố trí, phân tích PDN, công cụ phần cứng, các thành phần bổ sung, điều chỉnh, đo lường và các phương pháp xác thực. Các giải pháp mô-đun tiên tiến đang được phát triển, tích hợp thêm các bước chuyển đổi trong khi vẫn duy trì VPD bằng cách tận dụng các cải tiến như IVR để chuyển mạch nhanh hơn và điều khiển giai đoạn cuối băng thông cao.

Một cuộc tranh luận quan trọng về kiến ​​trúc liên quan đến tương lai của đường ray trung gian 12V, hiện đang được tạo ra từ 48V bằng cách sử dụng IBC 4:1 (Hình 2), nhằm cải thiện hiệu suất và mật độ dòng điện trong giai đoạn đa pha cuối cùng. Cụ thể, khi sử dụng các nút silicon điện áp thấp tiên tiến, điện áp trung gian này có thể được giảm xuống.

Renesas cung cấp các bộ chuyển đổi tụ điện chuyển mạch lai (HSC) hiệu suất cao với hiệu suất vượt quá 98%, sử dụng thiết kế 8 công tắc. Chúng có thể tạo ra điện áp 6V với hiệu suất tối đa lên đến 97%, dựa trên các hướng dẫn quy định. Renesas cũng đã phát hành một thiết kế tham khảo cho bộ chuyển đổi này.

Ngoài ra, các bộ chuyển đổi buck đa pha sử dụng GaN 100V có thể tăng tần số chuyển mạch để giảm đáng kể kích thước của bộ chuyển đổi. Renesas đã trình diễn một giải pháp 48V cung cấp công suất đỉnh 3 kW với mật độ gần 1 kW/in³, hoạt động ở chế độ 8 pha xuống đến 6V hoặc chế độ 4 pha ở 12V với tính linh hoạt của điều khiển kỹ thuật số.

Dự kiến ​​sẽ có thêm những tối ưu hóa kiến ​​trúc khi mô hình phân phối 800V hoàn thiện hơn; bus 48V bên trong module xPU có thể được loại bỏ hoàn toàn, thay thế bằng bộ chuyển đổi trực tiếp tỷ lệ cao tương tự như bộ chuyển đổi 16:1 hiện có. Renesas đã xây dựng một thiết kế tham chiếu 6 kW 800V sang 12V (64:1) sử dụng cấu trúc liên kết DTX, có khả năng mở rộng lên mức công suất cao hơn nhiều, có thể lên đến khoảng 20 kW, dự kiến ​​sẽ được sử dụng cho các module AI trong tương lai khi việc sử dụng xPU tiếp tục tăng lên.

Công nghệ GaN vẫn là động lực chính trong các giai đoạn nguồn điện mật độ cao này; đặc tính dải băng rộng của nó đang thúc đẩy sự tăng trưởng của các thành phần nguồn điện trong trung tâm dữ liệu nhanh hơn và nhiều hơn so với SiC ở nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, GaN có tiềm năng thay thế MOSFET silicon khi GaN phát triển theo hướng hoạt động ở điện áp thấp hơn và hiệu suất cao hơn. Sự thâm nhập vào các bộ nguồn gần lõi sẽ mở rộng, tăng mật độ mà không làm giảm hiệu suất.

Trong các giá đỡ thiết bị chuyển mạch AC/DC hiện đang chủ yếu sử dụng các thiết bị SiC 1200 V, một yếu tố mới nổi lên là bộ chuyển mạch GaN hai chiều 650 V. Bộ chuyển mạch bốn pha gần như lý tưởng này cho phép cấu trúc một tầng và đơn giản hóa kiến ​​trúc phía trước như bộ chỉnh lưu kiểu T hoặc Vienna, giảm mật độ và chi phí bằng cách thay thế các cấu hình thiết bị truyền thống mắc nối tiếp.

Các thiết bị SiC điện áp cao (>1,2 kV) đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống biến áp bán dẫn (SST), nơi điện xoay chiều trung thế từ lưới điện đi vào phòng điện của trung tâm dữ liệu và được chuyển đổi trực tiếp thành điện một chiều 800 V để phân phối trong toàn bộ khu vực. Phương pháp SST này loại bỏ các máy biến áp, thiết bị đóng cắt và bộ phân phối điện (PDU) lớn, giảm đáng kể lượng đồng sử dụng, vì cáp điện một chiều 800 V có thể truyền tải công suất gấp khoảng 1,5 lần so với cáp điện xoay chiều 415 V.

Một bước phát triển quan trọng khác là sự chuyển đổi trong kiến ​​trúc lưu trữ năng lượng từ hệ thống dự phòng điện xoay chiều chạy bằng diesel sang hệ thống lưu trữ điện một chiều 800V phân tán tích hợp vào môi trường trung tâm dữ liệu. Các tụ điện công suất cao hoặc hệ thống siêu tụ điện đặt gần các giá đỡ máy tính sẽ hỗ trợ nhu cầu điện năng ngắn hạn, tích hợp các bộ chuyển đổi DC/DC, bộ điều khiển và bộ điều khiển hai chiều để quản lý dòng điện ở cấp độ nhà máy. Hệ thống lưu trữ pin trung thế và hệ thống dự phòng tại chỗ sẽ trở nên rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục của các trung tâm dữ liệu chuyên sâu về trí tuệ nhân tạo.