英伟达与意法半导体合作实现数据中心领域重要突破

‍‍‍‍‍‍‍‍近期，英伟达(NVIDIA)已完成对意法半导体(ST)12kW配电概念验证板的设计验证测试，这一成果标志着该项目正式迈入生产验证测试阶段。在开放计算项目(OCP)2025峰会上，这家GPU制造商展示了由意法半导体设计的完整12kW电力传输板样机。同时，ST也即将发布一份关于下一代人工智能数据中心高功率密度配电解决方案的白皮书，帮助工程师深入了解该电力传输板的工作原理，以及高功率密度的实现方式等。该白皮书将涵盖拓扑结构、设计考量、宽禁带晶体管、架构优化等核心内容。

意法半导体是英伟达新推出的800V机架配电开发计划中的重要合作伙伴。双方合作的核心原因是意法半导体研发的高功率密度电力传输板(PBD)。这款传输板采用小型化设计，却能承载12kW的功率。依托碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)功率芯片技术的最新突破、STGAP硅基嵌入式电隔离专利，以及先进的模拟数字信号处理能力，意法半导体正推动数据中心行业迈入新时代。借助这款电力传输板，英伟达得以缩减线缆体积、提升系统效率。此次合作实现了数据中心领域的一项重要突破：ST首次达成12kW电能持续输出，且能效超过98%;在输出电压为50V时，功率密度更是突破2600W/in³。

英伟达为何选择800V架构?

打破传统非可持续模式

过去数十年间，数据中心普遍采用48V配电系统，15kW功率的机架足以满足处理器、内存与外存的用电需求。但随着人工智能技术兴起与GPU应用市场爆发，这类场景需依托大型架构才能充分发挥并行运算优势，如今系统架构工程师面临着600kW至1MW大功率机架的设计挑战。电能需求的激增，迫使行业寻求全新电源架构——以48V电压输出600kW功率为例，需承载高达12500A的电流。仅需试想处理该功率所需的电缆、母线与散热器尺寸，便足以让不少工程师却步。

展望配电技术未来：800V成人工智能数据中心必备技术

要降低大功率输出所需的电流，最直接的方案便是提高输入电压。电流降低不仅能大幅缩减电缆与母线尺寸，还可减少交流电网与机架直流配电之间的电力变换环节。事实上，英伟达曾提及，相较于当前的54V配电系统，升级至800V平台可将能效提升最高5%。简言之，在超大规模数据中心可持续性备受关注的当下，升级至800V架构是提升资源利用率、从技术层面满足人工智能创新需求的最佳方法之一。

然而，设计理想配电系统仍面临挑战：需将800V高压转换为母线中压，进而生成GPU核心电压，同时要保证紧凑尺寸以适配服务器机架安装。机架的标准尺寸对配电系统的体积限制极为严格，而元器件的紧密排布又会加剧电磁干扰与热管理难题。因此，工程师需找到既能应对更高电压，又能保持紧凑外形的解决方案。此外，800V平台还需全新的电隔离与接地系统，安全保护机制及故障处理的复杂性也随之大幅提升。基于此，英伟达向意法半导体寻求技术支持。

ST如何实现紧凑空间内的12kW功率集成，达成2600W/in³功率密度?

满足带电插拔要求

为应对800V机架的固有挑战，同时满足计算机系统的带电插拔要求，意法半导体将解决方案分为两部分：带电插拔保护电路与电能功率转换器。其中，带电插拔保护电路采用意法半导体的1200V碳化硅(SiC)器件与电隔离型BCD(BIPOLAR-CMOS-DMOS)控制器。2021年，IEEE正式认可意法半导体为BCD系列硅半导体制造工艺的发明者。该工艺可整合模拟与数字元件，有效提升电源管理解决方案的效率与可靠性。与此同时，意法半导体在碳化硅器件领域拥有近30年研发经验，是首家将该技术应用于电动汽车的厂商。长期的技术积累，为我们应对此次挑战奠定了坚实基础。

优化原边设计

解决方案的第二部分是DC-DC转换器，其功能是将整个机架的800V电压转换为单台服务器所需的50V电压。为在极小的机位空间内实现这一转换，意法半导体在原边采用650V氮化镓(GaN)晶体管堆叠式半桥架构，搭配STGAP电隔离栅极驱动器。得益于3.4eV的宽带隙和1,700cm²/Vs的电子迁移率使GaN具有独特的特性，可以实现低输出电容和较低的导通电阻，使其成为处理高频应用的理想材料。

优化副边设计

在副边设计中，意法半导体采用100V低压氮化镓(GaN)晶体管、低压栅极驱动器及STM32G4微控制器。这款微控制器的定时器分辨率低于200皮秒，能够实现与转换所需开关频率相匹配的高性能控制。同时，STGAP器件的优异隔离能力可实现电源转换器初级侧与次级侧的完全隔离，有效抵御电磁干扰(EMI)及其他可能影响紧凑型设计的异常情况。

变压器拆分设计：两组四单元架构

除精选元器件外，意法半导体还需应对严苛的空间限制，这意味着要缩减磁性元器件尺寸——尤其是10kV隔离设计已占用变压器的部分预留空间。为减少变压器磁芯用量，ST将传统大尺寸全桥拓扑拆分为两组架构，每组包含四个小型并联整流全桥。这种拆分设计可降低进入磁芯的磁通量，分散耗散功率;同时，采用四个小型全桥后，可使用更小的铁氧体磁芯，从而大幅缩减变压器整体尺寸。

上述元器件与拓扑解决方案，凝聚了意法半导体多年的技术积累与经验沉淀，正是这些专业能力让我们的方案具备独特优势。许多厂商需从外部采购相关元器件，而意法半导体可提供自研整体解决方案，这对配电系统优化至关重要。此外，新的800V配电架构也凸显了封装小型化、寄生电感最小化与双面散热技术的重要性——若器件尺寸过大或封装未经优化，根本无法实现如此紧凑的设计。而意法半导体始终致力于提供最小封装器件，这也是我们成为英伟达重要合作伙伴的关键原因之一。

全局视角：适配多元需求，推动行业升级

当前，业界正积极探索更高效的超大规模人工智能基础设施开发路径，不同企业选择了差异化技术方向。例如，部分企业正研发±400V系统。依托自身专业技术与产品组合，意法半导体可轻松复用现有电源转换设计方案，满足不同功率需求。事实上，我们可为所有寻求提升人工智能数据中心能效与可持续性的企业提供支持。

英伟达发布的测试公告及双方的合作成果具有重要意义和深远影响。目前，英伟达已批准ST的概念验证板，下一步将推进电路板制造与测试工作。这一里程碑充分体现了合作对数据中心格局的变革作用，实现了数年前难以想象的能效提升。英伟达的800V高压直流架构与意法半导体的配电板，共同标志着数据中心行业迈入新时代。