目录

1. 背景：传统机柜电源系统面临瓶颈

2. 800V HVDC解决方案

• 2.1 800V HVDC方案
• 2.2 800V HVDC的主要优势
• 2.3 氮化镓(GaN)+碳化硅(SiC）

3. 英伟达生态圈与行业影响

• 3.1 英伟达800V HVDC生态圈
• 3.2 行业影响

4. 总结

01 背景：传统机柜电源系统面临瓶颈

当前数据中心采用54V低压配电系统，功率上限仅达几百千瓦，需要依赖笨重铜母线传输电力，当机架功率超过200kW时，传统的电源架构将达到物理极限，主要表现在以下几个方面：

• 空间限制：新一代的AI数据中心服务器配备多达8个电源架，从而为计算中心和交换机架提供动力支持，如果继续使用传统的54V 低压直流配电，随着功率升级到MW规模，电源架将消耗高达64U的高度空间；

• 铜线过载：在单个1MW机架中使用54V DC的物理特性需要高达200kg的铜母线，1GW数据中心的机架式电源母线需要50万吨铜，显然，当前的配电技术在未来AI GW数据中心的未来是不可持续的；

• 低效转换：整个电力装换链路中的AC/DC转化不节能，并且会增加故障定。

随着AI进入千兆瓦(GW)时代，传统方案因为效率低，空间限制，铜材消耗大(1MW机架需要200g铜)等原因将难以持续。

02 800V HVDC解决方案

2.1 800V HVDC方案

通过高压直流直接供电，减少转换环节，铜线数量可降低45%，效率显著提升，直接解决高功耗AI数据中心的痛点，主要包含以下方面实现高压直流供电：

从电网到动力机房整流：传统数据中心配电设计多次电压转换，会导致效率低下并增加电气系统复杂性；如下图所示，通过使用AC/DC整流器，在数据中心附近将13.8 kV AC交流电网电源直接转化为800V 高压直流电，消除中间转换步骤，可以减小能源转换损失；同时这种电源架构还可以减少TI机柜中带风扇的电源供应单元(PSU)的数量，更少的PSU可提高系统可靠性；HVDC传输还可以降低传输损失，降低铜缆成本和总材料成本，提高运营效率，简化数据中心电源架构。

通过将415V交流传输切换到800V直流传输，较高电压会降低电流需求，从而降低电阻损耗并提高传输效率；同时，直流传输还可以消除交流传输的集肤效应和无功功率损失等低效现象，从而进一步提高效率。

2.2 800V HVDC的主要优势

• 可扩展性：使用相同的数据中心电力基础设施，可支持功率从 100 kW 到 1 MW 以上的机柜，从而实现无缝扩展；

• 效率提升：与当前的 54 V 系统相比，端到端效率提升高达 5%，确保更高的能源利用率；

• 铜缆减少：与传统的 415 V AC 或 480 V DC 架构相比，800 V HVDC 可显著减少出传输过程中的电流、铜缆用量和热损耗；

• 可靠性提高：传统的IT机柜式PSU依靠冗余配置来减少停机时间，不过这会导致频繁的维护周期以更换出现故障的模块，同时，通过将在IT机柜中的PSU移出，可以降低散热方面的挑战，确保可靠性；

• 面向未来：面对未来可能出现的高于1MW的机柜功率需求，当前的电源架构可以扩展至更高功率需求；

2.3 氮化镓(GaN)+碳化硅(SiC)

GaN/SiC技术具有高频，耐高压特性，是800V架构的核心器件，其方案可以替换传统硅基功率器件，提升能源转换效率(预计从90%提升至98%)，降低散热成本。

引用：The Application of 3rd Generation Semiconductor in Power Industry

在集中式高压直流电源架构中，功率半导体的比例与目前交流配电架构将会更高，需要在DCDC多相转换器产品的创新开发，而为了提高转换器的效率，以GaN/SiC技术为代表的第三代半导体技术将会得到越来越多的应用。

03 英伟达生态圈与行业影响

3.1 英伟达800V HVDC生态圈

数据中心高压直流架构并不是首次在行业内提出，行业内一直在不断地进行尝试应用，不过由于技术和产业供应链层面的不足，高压直流架构受到了限制，随着电源转换技术，特别是第三代功率半导体(SiC, GaN)技术的进步，AI驱动的机柜功率密度要求，电动汽车充电技术的基础，这些工业进步融合在一起会加速数据中心转向800V高压直流电源架构。

然而，完成800V HVDC数据中心建设并不是简单的事情，需要联合上下游合作伙伴协同创新，将基于半导体进步的固态变压器等相关技术应用到数据中心建设中才可以实现，为了达到目标，英飞达的生态圈包括：

• 芯片供应商：英飞凌(Infineon, 欧洲)，芯源(MPS, 美国)，纳微半导体(Navitas, 美国)，罗姆(Rohm, 日本)，意法半导体(ST, 欧洲)，德州仪器(TI，美国);

• 动力系统组件供应商：Delta(台达，中国台湾)， Flex Power(伟创力，中国)， Lead Wealth(领裕，中国)，光宝(LiteOn, 中国台湾)，麦格米特(Magmeet, 中国)；

• 数据中心电力系统供应商：伊顿(Eaton，美国)，施耐德电气(Schneider Electric，欧洲)，维谛技术(Vertiv，美国);

3.2 行业影响

从2027年开始，英伟达将会率先向800V HVDC数据中心电力基础设施过渡，以支持1MW及以上的IT机架，包括Rubin Ultra在内的GPU提供支持“Kyber”机架级系统供电。

AI数据中心配电方式从“低压交流配电”向“高压直流直供”的技术飞跃，将称为AI算力中心标配，市场空间可达千亿级。将会推动相关产业链技术升级，比如上游设备商母线槽，断路器，电缆等需要适配高压标准，UPS厂商需要开发800V高压机型，替代传统低压UPS集群；同时800V HVDC尚无统一国际标准，头部企业将会主导相关技术标准制定，加速行业规范化。

04 总结

AI技术将引发史上最大科技革命，但能源短缺将会成为潜在阻碍，能源是永恒的话题，人工智能时代也要面对能源问题的解决，为了提高数据中心能源转换效率，英伟达率先改革应用800V HVDC电源机构，这为未来数据中心电源技术革新指明了方向；人工智能的竞争将会主要在中美之间展开，在英伟达的生态链中，可以看到动力系统组件公司已经有了很多中国公司的加入，然而在半导体公司层面，中国公司还没有形成一定的竞争力，随着半导体国产替代的浪潮，叠加当前AI数据中心电源架构升级，中国半导体公司，特别是功率器件和电力电子公司将会找到新的应用市场。