Leveän energiaraon puolijohteet parantavat datakeskusten tehokkuutta

Datakeskuksilla on erittäin tärkeä rooli alati yhä digitaalisemmassa, yhdistyneemmässä ja virtuaalisemmassa maailmassa. Koska datakeskuksilla on valtavat energiavaatimukset, tarvitaan tehohäviöitä vähentäviä sekä tehokkuutta ja lämmönhallintaa parantavia tehoratkaisuja.

Internetin tietoliikenne on suuremman käyttäjämäärän sekä mobiililaitteiden, sosiaalisen median ja pilvitallennuspalveluiden yleistymisen myötä kasvanut viime aikoina huomattavasti. Analyytikkojen mukaan tietoliikenteen kasvu ei ole vielä saavuttanut huippuaan.

Nämä kasvuennusteet herättävät laitteiden tehokkuuteen ja energiankulutukseen liittyviä kysymyksiä, jotka ohjaavat uusien energiatehokkaiden tehomuunnosteknologioiden kehitystä, esimerkkinä laajan energiaraon (Wide Bandgap, WBG) tehokomponentit.

Tehokkuus pääprioriteettina

Datakeskus sisältää muun fyysisen infrastruktuurin ohella verkkoon yhdistettyjä palvelintietokoneita, jotka mahdollistavat datan sähköisen käsittelyn, varastoinnin ja jakelun. Palvelimet ovat datakeskuksen tärkeimpiä komponentteja, joita käytetään Internetin, pilvilaskennan ja yritysten sisäisten intranettien datan ylläpitoon.

Tehovaatimukset kasvavat digitaalisten tietomäärien kasvavien luonti-, käsittely- ja varastointitarpeiden myötä. Datakeskuksissa tarvitaan sähköä räkkien, tietojen tallennuksen ja verkkolaitteiden lisäksi myös jäähdytys- ja ilmanvaihtolaitteita varten tietojenkäsittelyssä sekä sähkötehomuunnoksissa syntyvän lämmön poistamiseksi.

Datakeskuksessa käytettävään tyypilliseen tehomuunnosjärjestelmään kuuluu useita AC/DC-, DC/AC- ja DC/DC-jännitemuuntimia, jotka ovat avainasemassa energiatehokkuuden parantamisessa. Tietojen käsittelyyn ja tallentamiseen virtaa syöttävien muunninten tehohäviöiden vähentämiseen liittyy kaksi merkittävää hyötyä. Ensinnäkin tehoa tarvitsee syöttää vähemmän, kun pienempi osa siitä muuttuu lämmöksi, ja toiseksi hukkalämmön poistamiseen ei tarvitse käyttää niin paljon energiaa.

Datakeskuksen energiatehokkuutta mitataan usein PUE (Power Usage Effectiveness) ‑tunnusluvulla. Green Grid ‑järjestön kehittämä tunnusluku on datakeskusten energiankäytön vertailuun käytettävä standardi. PUE määritellään datakeskuksen kokonaisenergiankäytön suhteena keskuksen sisältämien IT-laitteiden energiankäyttöön.

PUE-tunnusluku on perustason tilastotieto, jonka avulla voidaan tunnistaa kehitysmahdollisuuksia. Vaikka se ei olekaan täydellinen mittari, siitä on muodostunut alan standardi. Ihanteellisessa tilanteessa PUE on lähellä yhtä, eli datakeskus käyttää sähköä vain IT-laitteiden tarvitseman määrän. Yhdysvaltalaisen National Renewable Energy Laboratory (NREL) ‑järjestön mukaan keskimääräinen PUE on kuitenkin noin 1,8. Datakeskusten PUE-arvo vaihtelee suuresti, mutta energiatehokkuutta painottavissa datakeskuksissa se on usein 1,2 tai pienempi.

Korkean PUE-arvon taustalla voi olla eri syitä, kuten seuraavat:

• päälle kytketyt mutta käyttämättömät palvelimet ja keskeytymättömät virransyöttölaitteet (Uninterruptable Power Supply, UPS) eli niin kutsutut ”zombit”. Tähän sisältyvät tahattomasti käyttämättömänä olevat laitteet, jotka kuluttavat sähköä huomaamatta ja ilman ulkoista kommunikointia
• tehottomat varmuuskopiointi- ja jäähdytysmenetelmät
• enemmän luotettavuuteen kuin tehokkuuteen painottuvat datakeskukset.

Yleisiä menetelmiä PUE-tunnusluvun laskemiseksi ovat taajuusmuuttajien (Variable Frequency Drive, VFD) käyttö tuulettimissa sekä palvelinten ja UPS-laitteiden lukumäärän vähentäminen. Viime vuosina siirtyminen vanhoista 12 V:n arkkitehtuureista tehokkaampiin 48 V:n ratkaisuihin (katso kuva 1) on vähentänyt merkittäviä I2R-tehohäviöitä ja mahdollistanut tehokkaampien ratkaisujen tarjoamisen entistä enemmän virtaa tarvitseville tietojenkäsittelyjärjestelmille. I2R-häviöt laskevat 16-osaan käyttämällä 48 V:n tehoarkkitehtuuria. Tämä auttaa täyttämään alati vaativammat energiatehokkuusvaatimukset, sillä tehokkuuden parantaminen yhdelläkin prosentilla voi säästää koko datakeskuksen tasolla kilowatteja.

Kuva 1: WBG-puolijohteet tarjoavat paremman suorituskyvyn kuin piipohjaiset komponentit. (Kuvan lähde: Researchgate)

WBG-puolijohteiden hyödyt datakeskuksissa

Pii (Si) on tunnetuin materiaalivaihtoehto, mutta sillä on pienempi energiarako kuin laajan energiaraon materiaaleilla, kuten galliumnitridi (GaN) ja piikarbidi (SiC), mikä rajoittaa sen käyttölämpötilaa, käyttöjännitteitä ja lämmönjohtokykyä.

Piikomponenttien korvaaminen tehokkaammilla vaihtoehdoilla, kuten laajan energiaraon puolijohteilla, voi olla tehokkaampi vaihtoehto. Esimerkiksi galliumnitridistä tai piikarbidista valmistetut laajan energiaraon puolijohteet mahdollistavat piiteknologian rajoitteiden ylittämisen ja ne tarjoavat korkeat läpilyöntijännitteet, paremman lämmön poisjohtamisen ja pienemmän koon (katso kuva 1). Näin ollen teholähteen ja tehomuunnosvaiheiden tehokkuus paranee. Kuten aiemmin mainittiin, tehokkuuden parannus yhdelläkin prosenttiyksiköllä voi datakeskuksessa merkitä huomattavia energiasäästöjä.

Galliumnitridi

Galliumnitridi on merkitykseltään kasvava leveän energiaraon materiaaliluokka, koska sen elektronien energiarako (3,4 eV) on kolme kertaa suurempi kuin piin (1,1 eV). Lisäksi galliumnitridi tarjoaa kaksinkertaisen elektroniliikkuvuuden piihin verrattuna. Galliumnitridin tunnetusti verraton tehokkuus erittäin korkeilla kytkentätaajuuksilla on mahdollista loistavan elektroniliikkuvuuden ansiosta.

Näiden ominaisuuksien ansiosta GaN-pohjaiset tehokomponentit kestävät voimakkaampia sähkökenttiä vaikka niiden koko on pienempi. Pienemmät transistorit ja virran lyhyemmät kulkumatkat mahdollistavat huippualhaisen resistanssin ja kapasitanssin ja näin ollen 100 kertaa nopeammat kytkentätaajuudet.

Alhaisemman resistanssin ja kapasitanssin ansiosta myös tehomuunnoksen tehokkuus kasvaa, jolloin datakeskusten työkuormat saavat enemmän tehoa. Lisää jäähdytystehoa vaativan lisälämmön syntymisen sijaan kutakin wattia kohden voidaan suorittaa enemmän datakeskustoimintoja. Korkea kytkentätaajuus myös mahdollistaa pienempien ja kevyempien energiaa varastoivien passiivisten komponenttien käytön, koska kullakin kytkentäsyklillä varastoidaan huomattavasti vähemmän energiaa. Toinen galliumnitridin hyöty on mahdollisuus tukea erilaisia virran muuntamisen ja syöttämisen topologioita.

Galliumnitridin tärkeitä ominaisuuksia datakeskussovelluksien kannalta ovat:

• tuki koville ja pehmeille kytkentätopologioille
• nopea käynnistys ja sammutus (GaN-kytkentäaaltomuoto on lähes identtinen ihanteellisen kanttiaallon kanssa)
• ei estosuunnan elpymisvarausta
• piiteknologiaan verrattuna:
  • 10 kertaa korkeampi läpilyöntikenttä
  • 2 kertaa korkeampi liikkuvuus
  • 10 kertaa alhaisempi lähtövaraus
  • 10 kertaa alhaisempi hilavaraus ja Coss-ominaisuus.

Näiden piirteiden ansiosta GaN-tehokomponenteilla voidaan saavuttaa seuraavat hyödyt:

• korkea tehokkuus, tehotiheys ja kytkentätaajuus
• pienempi koko ja johtamisresistanssi
• alhainen paino
• lähes häviötön kytkentätoiminto.

Kuvassa 2 näytetään tyypillinen GaN-tehokomponentteja käyttävä sovellus. Nämä korkean jännitteen sillattomat toteemipaalu-PFC-asteet ja korkean jännitteen resonoivat LLC-asteet voivat täyttää palvelinten SMPS-teholähteiden korkeat vaatimukset sekä saavuttaa tasaisen, yli 99 %:n tehokkuuden laajalla kuormitusalueella ja korkealla tehotiheydellä.

Kuva 2: Korkean hyötysuhteen GaN-pohjaiset SMPS (Switched Mode Power Supply) ‑virtalähteet datakeskuspalvelimille (lähde: Infineon)

Piikarbidi

Yksi ensimmäisistä SiC-tehokomponenttien datakeskussovelluksista liittyi UPS-laitteisiin. UPS on datakeskuskäytössä erittäin tärkeä teknologia, joka estää verkkoviran vikojen mahdollisesti katastrofaalisia seurauksia ja toiminnan keskeytyksiä. Teholähteiden redundanssi on ratkaisevan tärkeä ominaisuus datakeskuksen toiminnan jatkuvuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi. Datakeskuksen PUE-tunnusluvun optimointi on yrittäjien ja operaattoreiden ensisijainen prioriteetti.

Datakeskuksissa tarvitaan luotettavat ja jatkuvatoimiset virtalähteet. Jännitteestä ja taajuudesta riippumattomia (Voltage and Frequency-Independent, VFI) UPS-järjestelmiä käytetään usein tämän vaatimuksen täyttämiseen. VFI UPS ‑laite koostuu AC/DC-muuntimesta (tasasuuntaaja), DC/AC-muuntimesta (invertteri) ja DC-linkistä. UPS-lähtö yhdistetään ohituskytkimellä suoraan AC-tuloon, jota käytetään pääasiassa huollon yhteydessä. Jos päävirta katkeaa, akku (joka koostuu yleensä useista kennoista) kytkeytyy jännitteenalennus- tai jännitteenkorotusmuuntimeen ja tarjoaa teholähteen tarvitseman virran.

Koska tulon vaihtojännite muunnetaan tasajännitteeksi ja sitten takaisin tarkaksi sinimuotoiseksi lähtöjännitteeksi, nämä laitteet ovat tyypillisesti kaksoismuunnospiirejä. Tuloksena syöttöjännitteen vaihtelut eliminoidaan, minkä ansiosta UPS voi syöttää kuormalle vakaan ja puhtaan signaalin. Jännitteenmuunnosprosessi eristää järjestelmän teholähteestä ja suojaa kuormaa jännitteenvaihteluilta.

Vielä hiljattain parhaan tehokkuuden tarjosivat kolmen tason kytkentätopologiaa käyttävät eristyshilaiset bipolaaritransistorit (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT). Tällä menetelmällä kyettiin saavuttamaan hyötysuhde 96 %, mikä on huomattava parannus aikaisempiin muuntajapohjaisiin malleihin nähden.

Piikarbiditransistorien ansiosta kaksoismuunnos-UPS-järjestelmien tehohäviöitä (> 70 %) voidaan huomattavasti vähentää ja hyötysuhdetta parantaa. Tämä erinomainen hyötysuhde (yli 98 %) koskee myöskin tilanteita, joissa kuormitus on alhainen tai korkea.

Tällaisien tulosten mahdollistajina ovat piikarbidin luontaiset ominaisuudet. Perinteisiin piipohjaisiin komponentteihin, kuten MOSFET- ja IGBT-transistoreihin, verrattuna SiC-teknologia mahdollistaa korkeammat lämpötilat, taajuudet ja jännitteet.

Piikarbidipohjaisen UPS-ratkaisun hyötyihin lukeutuu myös parempi lämpöhäviöarvo (eli kuumuuden poisto), mikä mahdollistaa käytön korkeammissa lämpötiloissa. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat käyttää kompaktimpia ja taloudellisempia jäähdytysratkaisuja. Yleisesti ottaen piikarbidipohjainen UPS on tehokkaampi, kevyempi ja pienempi kuin vastaava piipohjaisia komponentteja käyttävä malli.

SiC-pohjaiset puolijohteet voivat luontaisten ominaisuuksiensa ansiosta toimia korkeammissa lämpötiloissa kuin perinteiset piipuolijohteet. Näin ollen asiakkaan jäähdytyskustannukset laskevat UPS-ratkaisun alhaisemman lämpöhukan ja korkeamman käyttölämpötilan ansiosta.

SiC-pohjainen UPS maksimoi myös datakeskuksen tilankäytön, sillä se on kevyempi ja pienempi tavanomaiseen piipohjaiseen UPS-ratkaisuun verrattuna. SiC-pohjainen UPS vaatii vähemmän lattiatilaa, mikä parantaa saatavilla olevaa tehokapasiteettia samassa tilassa.

Yhteenveto

Laajan energiaraon materiaalit, kuten galliumnitridi ja piikarbidi, ovat kehittyviä puolijohdetekniikoita, jotka uurtavat uutta uraa datakeskusten ja muiden vaativien sovellusten tehoelektroniikassa. Niiden hyötyihin sisältyvät järjestelmän korkeampi hyötysuhde, alhaisemmat jäähdytysvaatimukset sekä korkeampi käyttölämpötila ja tehotiheys. GaN- ja SiC-tehokomponenttien integrointi jännitemuuntimiin ja virtalähteisiin mahdollistaa datakeskusten operaattoreilla olevien tavoitteiden saavuttamisen: tehokkuuden parantaminen, tilankäytön maksimointi ja koko laitoksen käyttökustannusten alentaminen.