根據(jù) AIDC Index 的統(tǒng)計，目前全球共有344個AI數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目處于規(guī)劃、建設(shè)或已運(yùn)營狀態(tài)，合計裝機(jī)容量約為154.6GW。隨著下一代 AI 數(shù)據(jù)中心從兆瓦級走向吉瓦級，其對電網(wǎng)、冷卻系統(tǒng)和配套基礎(chǔ)設(shè)施的要求正急劇上升。傳統(tǒng)功率器件越來越難以滿足不斷增長的效率和功率密度要求，這使得氮化鎵（GaN）被視為有望突破這些限制的關(guān)鍵技術(shù)之一。AI 算力的快速擴(kuò)張已經(jīng)在半導(dǎo)體和電力基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)中引發(fā)連鎖反應(yīng)。在多種技術(shù)路線并行演進(jìn)的背景下，德州儀器（TI）圍繞高可靠性 GaN 技術(shù)進(jìn)行了較早布局，并持續(xù)積累相關(guān)產(chǎn)品與系統(tǒng)能力。TI 的 GaN 技術(shù)將如何幫助數(shù)據(jù)中心供電效率實(shí)現(xiàn)新一輪躍升？又有哪些產(chǎn)品策略和技術(shù)路徑支撐其在這一新興市場中的布局？本文將探討 AI 數(shù)據(jù)中心不斷演變的基礎(chǔ)設(shè)施需求，并分析 TI 在面向下一代電源架構(gòu)的高可靠性 GaN 技術(shù)上的持續(xù)投入。AI 數(shù)據(jù)中心正在重塑行業(yè)優(yōu)先級
四十多年來，半導(dǎo)體行業(yè)一直沿著一條明確軌跡演進(jìn)：提升計算密度，在更小的硅片面積中提供更強(qiáng)的處理能力。AI數(shù)據(jù)中心的興起，正在從根本上改變這一邏輯。隨著 AI 工作負(fù)載快速擴(kuò)張，功耗已經(jīng)成為行業(yè)面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。來自 GPU、CPU 以及各類 AI 加速器（XPU）的功率需求正以驚人的速度增長。當(dāng)前單顆 GPU 和 XPU 的功耗需求每年增長超過 70%，每一代新器件的功耗都明顯高于前代。下圖概括了未來幾代 AI 平臺單 GPU 功耗的上升趨勢，這也是數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)升級的直接驅(qū)動因素。 圖 1：AI 驅(qū)動的 GPU 單芯片功耗增長趨勢圖中展示了 Blackwell、Blackwell Ultra、Vera Rubin 和 Feynman 平臺對應(yīng)的單 GPU 功耗變化，功耗水平由 1200W 持續(xù)上升至預(yù)計 4kW。（來源：行家說 Research，2026）從 Blackwell 到 Feynman，單 GPU 功耗持續(xù)上行，意味著服務(wù)器級和機(jī)架級供電系統(tǒng)必須同步提升效率、功率密度和散熱能力。與此同時，大模型商業(yè)化持續(xù)放大數(shù)據(jù)中心能耗。國際能源署（IEA）估計，像 ChatGPT 這樣的大語言模型單次查詢的耗電量大約是傳統(tǒng)搜索引擎查詢的10倍。與此同時，根據(jù)中國信息通信研究院（CAICT）等機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，截至 2025 年 7 月，全球已發(fā)布 3,755 個大模型，部署活動仍在持續(xù)加速。僅中國的日度 token 消耗量就已超過 30 萬億，相較 2024 年初增長超過 300 倍。從宏觀角度看，AI 基礎(chǔ)設(shè)施帶來的全球電力需求正進(jìn)入前所未有的擴(kuò)張周期。IEA 預(yù)測，數(shù)據(jù)中心用電量在 2025 年達(dá)到約 485TWh，到 2030 年可能接近翻倍至約 950TWh。AI 導(dǎo)向型數(shù)據(jù)中心的用電需求預(yù)計還會增長得更快，同期可能達(dá)到三倍增長。隨著能源需求和數(shù)據(jù)連接需求持續(xù)上升，數(shù)據(jù)中心正面臨前所未有的能源挑戰(zhàn)。因此，行業(yè)關(guān)注點(diǎn)已不再局限于優(yōu)化計算密度，創(chuàng)新方向越來越多地轉(zhuǎn)向優(yōu)化功率密度。
數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的新要求首先，建設(shè)數(shù)據(jù)中心已不再只是資本投入的問題，而是取決于多種基礎(chǔ)設(shè)施資源的組合，包括能源可獲得性、水資源、物理空間、高壓輸電能力以及光纖連接。隨著電力需求持續(xù)增長，提升整個系統(tǒng)鏈路的能效變得越來越重要。從發(fā)電和輸電，到計算和冷卻，能量鏈條上的每個環(huán)節(jié)都需要被優(yōu)化。任何一個環(huán)節(jié)的低效，都會導(dǎo)致更高的能量損耗、更大的冷卻負(fù)擔(dān)，以及更復(fù)雜的整體系統(tǒng)設(shè)計。如果把這一趨勢拆開來看，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)的核心目標(biāo)可以概括為：在更高功率密度下實(shí)現(xiàn)更高效率，并同步壓縮輸電、無源器件和散熱系統(tǒng)的體積。圖 2：AI 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施升級的三個關(guān)鍵抓手
圖中展示了高壓直流（HVDC）、SiC 與 GaN 功率器件，以及液冷散熱等技術(shù)，如何共同支撐“高效率 + 高功率密度”的目標(biāo)，并進(jìn)一步降低銅損、銅排體積、無源器件體積和散熱器體積。（來源：行家說 Research，2026）
這也是為什么高壓直流、寬禁帶功率器件以及液冷等方案，正在被同時推到下一代 AI 數(shù)據(jù)中心設(shè)計的核心位置。此外，AI 數(shù)據(jù)中心需要能夠支撐顯著更高功率密度的基礎(chǔ)設(shè)施底座，其中包括輸電、配電和功率轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要整個生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作，包括半導(dǎo)體廠商、服務(wù)器電源供應(yīng)商和固態(tài)變壓器供應(yīng)商。通過在供電鏈路各環(huán)節(jié)持續(xù)創(chuàng)新，行業(yè)才能為下一代 AI 基礎(chǔ)設(shè)施提供更高效的供電分配能力。作為這一演進(jìn)的一部分，800V 直流供電架構(gòu)正成為解決未來供電挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑之一。更高電壓配電的價值十分明確：它能夠在輸送相同功率時降低電流，從而減少銅材使用和傳輸損耗，并提升整體系統(tǒng)效率。這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)不再只是效率優(yōu)化或成本優(yōu)化的問題，而正在成為支撐未來 AI 數(shù)據(jù)中心持續(xù)擴(kuò)展的關(guān)鍵力量。基于當(dāng)前部署趨勢，部分先進(jìn) AI 機(jī)架的功耗已接近 500kW。借助液冷等技術(shù)，這類系統(tǒng)目前仍可在傳統(tǒng) 48V 供電架構(gòu)下獲得支持。但隨著算力需求繼續(xù)上升，下一代 AI 機(jī)架預(yù)計將超過 1MW 功耗。在這一功率水平下，傳統(tǒng)低壓架構(gòu)將面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并推動行業(yè)轉(zhuǎn)向更高電壓的供電路徑。機(jī)架級功率的演進(jìn)更能說明這一變化的緊迫性。下圖展示了未來幾年 AI 服務(wù)器機(jī)架功耗的上升趨勢。圖 3：AI 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架功耗趨勢圖中展示了從搭載 72 顆 Blackwell GPU 的 Oberon 架構(gòu)，到搭載 144 顆 Feynman GPU 的 Kyber 架構(gòu)，單柜功耗由約 120kW 持續(xù)提升至約 600kW，反映出機(jī)架級供電壓力的快速上升。（來源：行家說 Research，2026）
機(jī)架總功耗的持續(xù)提升，意味著傳統(tǒng)低壓供電路徑在銅損、熱管理和系統(tǒng)復(fù)雜度上的壓力會同步放大。
根據(jù)導(dǎo)體損耗的基本關(guān)系（I2R 損耗），如果母線電壓仍保持在 48V，那么機(jī)架功率提升 6 倍就意味著電流也要同步提升 6 倍，傳輸損耗則會增加到原來的 36 倍。隨著電流持續(xù)升高，功率損耗、熱管理壓力和系統(tǒng)復(fù)雜度都會顯著增加，使傳統(tǒng)低壓架構(gòu)越來越難以支撐未來高功率 AI 機(jī)架。因此，越來越多行業(yè)參與者正在探索更高電壓的直流供電架構(gòu)，以作為下一代 AI 數(shù)據(jù)中心的可行路徑。通過在更高功率水平下實(shí)現(xiàn)更高效的供電，800VDC 等高壓方案預(yù)計將在支撐 AI 算力基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)擴(kuò)張方面發(fā)揮越來越重要的作用。如今，高壓直流供電架構(gòu)的價值早已被行業(yè)認(rèn)可，但其在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模部署長期面臨一個基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)：如何將高壓電安全、高效地轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代處理器所需的極低電壓。傳統(tǒng)上，如果想用硅基功率器件提升電源轉(zhuǎn)換效率，通常需要提高開關(guān)頻率。但更高的開關(guān)頻率也會帶來更高的開關(guān)損耗，從而形成效率與性能之間的權(quán)衡。多年來，行業(yè)一直缺乏一種功率開關(guān)技術(shù)，能夠同時實(shí)現(xiàn)高開關(guān)速度、低損耗和低寄生參數(shù)。氮化鎵（GaN）技術(shù)的成熟與商業(yè)化，開始改變這一局面。GaN 之所以日益重要，是因?yàn)樗軌蜃寯?shù)據(jù)中心將更高電壓供電與更快開關(guān)速度結(jié)合起來。這一能力使工程師可以設(shè)計出更小、更高效、且具備更高功率密度的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。隨著 GaN 及其他寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步，電源供應(yīng)商也持續(xù)提升機(jī)架級功率密度和整體能效。因此，GaN 正在成為支撐下一代 800V AI 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的重要技術(shù)。除了性能之外，可靠性也正在成為大規(guī)模部署中同等重要的考量因素。與常規(guī)電氣系統(tǒng)不同，AI 數(shù)據(jù)中心既運(yùn)行在極高功率水平下，又承載關(guān)鍵任務(wù)型計算工作負(fù)載。在這樣的環(huán)境中，單個器件失效就可能影響整個機(jī)架甚至多個系統(tǒng)，引發(fā)停機(jī)、服務(wù)中斷和高昂的運(yùn)營成本。因此，電源系統(tǒng)可靠性已經(jīng)成為下一代 AI 基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵要求。長期以來，汽車電子一直代表著行業(yè)中最嚴(yán)苛的可靠性基準(zhǔn)之一，車規(guī)級器件也被廣泛視為高可靠性的代表。然而，隨著 AI 基礎(chǔ)設(shè)施不斷演進(jìn)，數(shù)據(jù)中心正在以前所未有的功率密度、負(fù)載強(qiáng)度和系統(tǒng)利用率運(yùn)行。這些趨勢正推動整個供電生態(tài)系統(tǒng)對可靠性的關(guān)注持續(xù)上升，并促使行業(yè)開發(fā)更嚴(yán)格的器件認(rèn)證與驗(yàn)證方法。對于 GaN 技術(shù)而言，挑戰(zhàn)已不再是更高效率或更高功率密度，更在于如何證明其在大規(guī)模關(guān)鍵任務(wù)場景下的長期可靠性。依托數(shù)十年的半導(dǎo)體積累以及長期的電源技術(shù)投入，TI 已構(gòu)建起一套廣泛的GaN產(chǎn)品組合與技術(shù)基礎(chǔ)，用以支持下一代 800V 數(shù)據(jù)中心對可靠性、效率和可擴(kuò)展性的要求，這一布局集中體現(xiàn)為四大核心優(yōu)勢。TI 在汽車和工業(yè)市場的經(jīng)驗(yàn)，對其 GaN 技術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。TI 從 2010 年開始投資 GaN 研發(fā)，并在 2016 年推出量產(chǎn) GaN 器件。為驗(yàn)證長期可靠性，TI 已在其 GaN FET 上累計進(jìn)行了超過 8,000 萬小時的可靠性測試，以及累計超過 5GWh 的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用場景測試。這些器件也已廣泛部署在工業(yè)和汽車應(yīng)用中。值得注意的是，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心采用的 800V 架構(gòu)，與電動汽車中已使用的 800V 電源架構(gòu)存在許多相似之處。TI 在高要求汽車環(huán)境中開發(fā)和驗(yàn)證 GaN 方案的經(jīng)驗(yàn)，為這些技術(shù)應(yīng)用到 AI 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。2. 面向 800VDC 的電源架構(gòu)能力除了器件技術(shù)之外，TI 還為 AI 數(shù)據(jù)中心開發(fā)了完整的 800VDC 電源架構(gòu)。通過僅使用兩級功率轉(zhuǎn)換，這套架構(gòu)可以高效地將 800VDC 電源直接轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代 GPU 所需的低電壓。與傳統(tǒng)多級電源架構(gòu)相比，這種方法簡化了供電分配，降低了傳輸損耗，并提升了系統(tǒng)可擴(kuò)展性與可靠性。這一能力部分得益于 TI 長期以來在集成式 GaN 功率級技術(shù)上的投入。TI 已推出多項(xiàng)面向 800V 供電系統(tǒng)的參考設(shè)計，包括一款 800V 至 6V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其效率可高達(dá) 97.6%，功率密度超過 2,000W/in3；此外還有 800V 熱插拔（hot-swap）控制器方案。這些參考設(shè)計有助于簡化開發(fā)流程，并加速下一代高功率密度 AI 基礎(chǔ)設(shè)施的落地。支撐這些性能指標(biāo)的關(guān)鍵，是 TI 高度集成的 GaN 功率級架構(gòu)。隨著數(shù)據(jù)中心設(shè)計中的功率密度不斷提高，工程師正將關(guān)注點(diǎn)從單一器件性能轉(zhuǎn)向整體系統(tǒng)優(yōu)化，而這一趨勢也在推動 GaN 于下一代架構(gòu)中加速采用。TI 的全集成 GaN 功率級將 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）、驅(qū)動器、保護(hù)和控制功能整合在單芯片方案中。這種集成方式簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提升了可靠性，并縮短了開發(fā)周期，適用于數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器電源、光伏逆變器、工業(yè)系統(tǒng)和汽車電子等多種應(yīng)用。集成優(yōu)勢同樣體現(xiàn)在開關(guān)性能上。TI 集成驅(qū)動的 GaN 器件可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 150V/ns 的壓擺率，約為傳統(tǒng)硅基 MOSFET 的三倍，并支持超過 1MHz 的開關(guān)頻率。這些能力有助于縮小磁性器件尺寸，實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計，并降低開關(guān)損耗。為管理高壓擺率帶來的波形挑戰(zhàn)，TI 將低電感封裝與其集成架構(gòu)相結(jié)合，即使在極端條件下也能提供干凈的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。這有助于減少振鈴、最大化系統(tǒng)效率、減少外圍器件數(shù)量、簡化 PCB 布局，并進(jìn)一步提升功率密度，為下一代數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計提供更大的靈活性。除了 GaN 技術(shù)之外，TI 廣泛的模擬與嵌入式處理產(chǎn)品組合還可為 AI 數(shù)據(jù)中心供電鏈路提供系統(tǒng)級支持。這些方案覆蓋固態(tài)變壓器、sidecar 外置供電系統(tǒng)、服務(wù)器 IT 機(jī)架以及冷卻分配單元等多種場景，幫助客戶在整個數(shù)據(jù)中心內(nèi)部優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換、供電分配和系統(tǒng)管理。TI 也在積極推動 GaN 技術(shù)相關(guān)行業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。現(xiàn)有 JESD 和 IEC 等認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)最初是圍繞硅基技術(shù)開發(fā)的，為器件資格認(rèn)證提供了重要基線。隨著寬禁帶半導(dǎo)體持續(xù)發(fā)展，行業(yè)也在通過額外驗(yàn)證方法來適應(yīng) GaN 器件的獨(dú)特特性。為支持這一進(jìn)程，TI 已開發(fā)額外的 GaN 可靠性評估方法，并將相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分享給標(biāo)準(zhǔn)組織，以幫助推動全行業(yè)最佳實(shí)踐的發(fā)展。要建立行業(yè)對 GaN 的信心，必須依賴嚴(yán)格的驗(yàn)證與認(rèn)證方法體系，以支撐其在高要求應(yīng)用中的長期部署。TI面向AI數(shù)據(jù)中心的從電網(wǎng)到柵極路徑除了推進(jìn)高可靠性 GaN 技術(shù)外，TI 還提出了面向 AI 數(shù)據(jù)中心的從電網(wǎng)到柵極的愿景，將關(guān)注點(diǎn)從單一功率器件擴(kuò)展到整個能源傳輸鏈路。如果用一張圖來概括這一思路，從電網(wǎng)到柵極關(guān)注的是從上游能源輸入，到機(jī)架與服務(wù)器供電，再到處理器核心電壓的整條電力鏈路。圖 4：TI 面向 AI 數(shù)據(jù)中心的 從電網(wǎng)到柵極系統(tǒng)視角圖中覆蓋了從不間斷電源、太陽能、電網(wǎng)側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、機(jī)架與服務(wù)器供電、服務(wù)器主板、AI 處理器與協(xié)處理器，以及冷卻分配單元等環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)供電優(yōu)化需要從整條鏈路協(xié)同展開。
這張圖的意義在于，它把“GaN 器件能力”放回到更完整的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中理解，而不只是停留在單一器件或單一級電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。這一概念覆蓋供電鏈的每個階段，從電網(wǎng)到處理器核心電壓，從而使系統(tǒng)設(shè)計能夠以更整體的方式展開。通過優(yōu)化整套基礎(chǔ)設(shè)施中的功率轉(zhuǎn)換、供電分配與管理，這一路徑有助于數(shù)據(jù)中心為未來兆瓦級 AI 機(jī)架以及更高強(qiáng)度工作負(fù)載做好準(zhǔn)備。展望未來，隨著大規(guī)模 AI 訓(xùn)練和新興物理 AI 應(yīng)用共同推動全球算力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展， 預(yù)計數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)對可靠性的要求還可能持續(xù)提高。中國作為全球 AI 增長最快的市場之一，在可再生能源部署、長距離輸電基礎(chǔ)設(shè)施以及大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)方面具備顯著優(yōu)勢。這些條件為 AI 基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心容量的持續(xù)擴(kuò)張?zhí)峁┝藞詫?shí)基礎(chǔ)。隨著 AI 算力需求持續(xù)增長，對高性能、高可靠性供電技術(shù)的需求也將日益增強(qiáng)。依托在中國 40 多年的長期投入，TI 繼續(xù)在技術(shù)、制造和生態(tài)合作方面加大投入，以支持 AI 基礎(chǔ)設(shè)施的長期發(fā)展。通過從電網(wǎng)到柵極路徑、廣泛的電源管理產(chǎn)品組合，以及在 GaN 技術(shù)方面的持續(xù)創(chuàng)新，TI 將繼續(xù)與客戶和生態(tài)合作伙伴共同應(yīng)對下一代 AI 系統(tǒng)面臨的供電挑戰(zhàn)，推動 AI 未來朝著更高效率、更高可靠性和更強(qiáng)可擴(kuò)展性的方向發(fā)展。
本文發(fā)自【行家說三代半】，專注第三代半導(dǎo)體（碳化硅和氮化鎵）行業(yè)觀察。
對話張振中：4年10倍增長，中瑞宏芯的SiC發(fā)展之道又一SiC項(xiàng)目落地天津，已開工建設(shè)慕尼黑電子展參展陣容揭曉，意法/ 英飛凌/安森美等大廠悉數(shù)亮相
