数据中心电源低压侧的博弈:硅基护城河与GaN渗透

半导体产业研究 2026-06-05 17:57



【内容目录】

一、 技术部分

二、 玩家阵营分化

三、 国内产业格局

四、 结论与展望

一、技术部分

1.数据中心电力系统架构 

数据中心供电正经历从传统多环节架构向高压直流(HVDC)配电的系统级级联拓扑演进,未来将升级为中压直供与SST固态变压器架构。不同电压级范围中,SiC主要适配480V/800V以上中高压;GaN主要战场是48V(50V)机柜级,随着电源架构的演进,正在向高低压两侧渗透;而12V以下,特别是主板级电源,目前还是Si基器件的统治领域。

数据中心电源低压侧的博弈:硅基护城河与GaN渗透图2

数据中心电源低压侧的博弈:硅基护城河与GaN渗透图3

图片来源:台达电子报告PPT

2.主板级电源的核心挑战 

主板级核心供电存在严苛的物理限制。随着 GPU 演进,算力核心需要 0.65V 至 0.85V 的超低电压,伴随 1000A 以上的峰值电流及极高瞬态响应(di/dt > 1000A/us)要求。在此电学极限下,供电挑战的核心不在于开关材料本身的开关速度,而在于如何通过数字多相控制器算法(指挥大脑)对高速转换带来的电压波动进行精准驯服。若无法控制高频波动,毫伏级的过冲可能直接损坏昂贵的算力芯片。硅基方案通过将多相控制器与 DrMOS(执行单元)组合,大幅降低寄生电感和电容影响。其内部集成的电流重构采样(IMON)和温度检测(TMON),使硅基方案在毫伏级精度中以极致成熟的低成本建立起高集成度壁垒,维持着主板级供电的绝对霸权。

二、玩家阵营分化

在数据中心电力架构的中低压领域,按不同技术路径和商业策略,该领域玩家可以粗略分为三类:坚持硅基器件可靠性的保守派,做低压供电架构优化的改良派,以及直接重构中低压整体供电架构的激进派。

1.保守派:MPS、英飞凌、瑞萨电子 

以 MPS、英飞凌和瑞萨电子为代表的传统巨头,其核心战术是技术生态绑定——即把数字多相控制器与智能功率芯片 DrMOS进行软硬件强绑定,守住从 12V 降至 0.65V 的核心供电腹地。

给算力惊人的 GPU 供电,通常需要 16 条甚至更多通道(相数)并联工作,以分散巨大的热量并应对瞬间的电流爆发。协调这么多供电通道,需要极其复杂的控制算法,比如在不同负载下实时启停某些通道、精确微调电压等。这种高技术门槛造就了极高的系统“试错成本”,一旦系统跑通,供应链黏性极强,大客户绝不会轻易更换供应商。

2.架构优化者:怀格电子 

怀格电子(Vicor)是试图打破传统供电套路的急先锋。其首创的分比式电源架构(FPA),把原本一体化的降压过程拆成了“两步走”:先稳压(PRM模块),再进行电流放大(VTM模块)。最绝的是其“垂直供电(VPD)”技术,直接将供电模块安装在 GPU 芯片的正下方,让电流在主板上的传输距离几乎归零,将铜线传输损耗暴降 50 倍,完美化解了传输拥堵难题。这项黑科技曾在早期英伟达高端 GPU 中大放异彩。

然而,技术上的神话却败给了现实的商业规则。Vicor 的方案属于高度排他的“独家秘方”,且自有的封装工厂产能受限。这严重触碰了大客户规避断货风险的底线。为了供应链安全,科技巨头们在新一代主流平台上做出妥协,重新把订单交还给了拥有成熟量产生态的硅基多相供电厂商。

3.激进玩家:Navitas 

纳微半导体(Navitas)等 GaN 厂商则主张更为极端的中低压供电构架整体重构的方案。就在近期的 NVIDIA AI Factory MGX™ 生态系统展会上,Navitas 直接展出了单级 800V 到 6V 的直流电源分配板(PDB)。

这项技术在计算服务器托盘内彻底消灭了传统的 48V 中间总线转换器(IBC)环节。通过采用 16 颗 650V 的 GaNFast 场效应管(FET)并在 1MHz 的开关频率下运行,该方案实现了高达 97.5% 的峰值效率和 2100 W/in³ 的极高功率密度。更惊艳的是,其电路板厚度比智能手机还要薄约 20%,这种超低外形使其能够极度贴近 GPU 主板,试图通过物理距离的极致缩短来最大化瞬态响应性能。

三、国内产业格局

1.国内Fabless主要玩家 

在 AI 算力红利下,国内设计(Fabless)公司正加速数字多相控制器与 DrMOS 的研发布局。但国产厂商当前实际渗透主要集中在低相数,以及内存(DDR)、I/O 供电等周边电压轨的国产替代,面对 GPU 核心所需超高相数(16 相及以上)、极致动态瞬态响应要求时,本土企业在算法冗余和长期可靠性上与海外巨头仍存显著技术代差,正处于由外围向核心的艰难爬坡期。代表玩家包括:晶丰明源,杰华特,矽力杰(台湾)

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(1)晶丰明源

晶丰明源是目前国内在数据中心核心电源上最高调、且拿出产品交付的厂商。

下游客户:国内头部 AI 算力芯片大厂,浪潮、紫光等国内头部服务器整机厂(ODM/OEM),国内外独立显卡制造商。

(2)杰华特

杰华特的背景极其特殊,其背后有英特尔资本(Intel Capital)的战略入股,这决定了它独树一帜的供应链打法。

下游客户: 英特尔(Intel)服务器生态、国内头部服务器代工厂。

商业模式: “原厂白名单认证(AVL - Approved Vendor List)”模式。在服务器主板上,Intel对供电芯片有生杀大权。杰华特的多相控制器和智能功率级(SPS)通过了 Intel 的严苛测试,被列入了 Intel 平台的参考设计白名单。

采购关系链条:Intel 卖 CPU → 推荐用杰华特的供电方案 → 服务器厂向杰华特采购。

(3)矽力杰

矽力杰作为台湾上市公司(6415.TW),是亚洲最大的独立模拟芯片设计公司,其打法更偏向国际化竞争。

下游客户: 英伟达(Nvidia)算力平台的外围/非核心节点、戴尔(Dell)、惠普(HP)等美系服务器品牌商及其代工厂(如广达、纬创、英业达)。

商业模式: “二供/三供(Second/Third Source)”模式。面对 MPS 和英飞凌在核心 0.65V 供电的绝对垄断,矽力杰凭借极强的产能保障和价格优势,先从服务器主板上的内存供电、I/O 供电等“外围轨”切入,并在部分大电流 DrMOS 环节通过了国际大厂的验证。订单由广达、纬创等 ODM 厂直接下发。

2.国产特色工艺Foundry玩家 

主板级大功率电源芯片的技术命脉不仅在设计,更在于“设计与制造特色工艺深度绑定”。高集成度单芯片 DrMOS 的电气参数优化高度依赖底层制造平台的支撑。国内特色代工厂正在此领域构建物理底座。

四、结论与展望

在数据中心供电架构的演进中,最终追求的是全链路的输电效率+计算性能+系统可靠性的综合最优,不能简单的相信“材料宿命论”,认为第三代半导体完全会取代Si基器件。电源系统的选择与迭代,早已从单一开关材料的竞争,走向“材料、架构、算法”三维深度融合的复杂系统工程。

虽然现在GaN正在向480V/800V的高压侧,以及12V/6V的低压侧渗透,但在GaN电源方案的长期可靠性得到充分的验证之前,中压范围的SiC器件、Si基器件,仍将在相当长的时间内与GaN共存。而6V及以下,特别是1V以下的主板级供电中,Si基器件仍会长期维持绝对的统治地位。

笔者个人认为,未来3年左右,GaN在数据中心中的重要看点,除了当下最火热的48V/12V机柜级电源,主要还是在向高压的渗透,如果GaN在400/800V的长时可靠性得到充分验证,由于其显著的体积和频率优势,替代SiC的速度,会快于低压侧的硅基器件。

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