A széles tiltott sávú félvezetők javítják az adatközpontok hatásfokát

Az adatközpontok döntő és nélkülözhetetlen szerepet játszanak az egyre inkább digitális, internetre kapcsolt és virtualizált világban. Mivel az adatközpontoknak hatalmas az energiaigényük, olyan áramellátási megoldásokra van szükség, amelyek képesek csökkenteni az energiaveszteségeket, növelni a hatásfokot, és javítani a hűtést.

Az internet forgalma az utóbbi időben számottevően megnőtt a felhasználók számának jelentős növekedése, a mobil eszközök és a közösségi hálózatok széles körű használata, valamint az adatok felhőben történő távtárolása miatt. Elemzők szerint a forgalom növekedése még mindig nem érte el a teljes telítettséget.

Ezek a növekedési előrejelzések kérdéseket vetnek fel a berendezések hatásfokával és a villamosenergia-fogyasztással kapcsolatban, ami új, jobb hatásfokú áramátalakító technikák fejlesztését ösztönzi, amilyenek például a széles tiltott sávú (WBG, wide bandgap) teljesítményeszközök.

A hatásfok a legfontosabb

Az adatközpont a fizikai infrastruktúrán kívül egy olyan létesítmény, amely az adatok elektronikus feldolgozását, tárolását és elosztását végző, hálózatba kapcsolt számítógépes kiszolgálóknak (angol eredetű szóval szervereknek) ad otthont. Az adatközpont legfontosabb eleme a kiszolgáló, amely az internetet, a felhőalapú számítástechnikát és a vállalati intraneteket szolgáló adatok tárolására szolgáló eszköz.

Az energiaigény a létrehozott, feldolgozott és tárolt digitális adatok növekvő mennyisége miatt folyamatosan növekszik. A tartóállványok, adattárolók és hálózati egységek áramellátása mellett az adatközpontoknak kiegészítő hűtő- és szellőztetőberendezésekre is szükségük van az adatfeldolgozás és a villamos energia átalakítása során keletkező hő eltávolításához.

Az adatközpontokban használt áramátalakító rendszer jellemzően több egyenirányítót (váltakozó áramot egyenárammá alakító eszköz, AC–DC áramátalakító), invertert (egyenáramot váltakozó árammá alakító eszköz, DC–AC áramátalakító) és egyenáram-átalakítót (egyenáramot más feszültségű egyenárammá alakító eszköz, DC–DC áramátalakító) tartalmaz, amelyektől igazából az egész adatközpont hatásfoka függ. Az adatfeldolgozó és adattároló eszközöket tápláló áramátalakítókban keletkező veszteségek csökkentése két kulcsfontosságú előnnyel jár. Az első, hogy nincs szükség a hővé nem alakuló energia utánpótlására, a második, hogy kevesebb energiára van szükség a hulladékhő eltüntetéséhez.

Az adatközpontok hatásfokát gyakran az energiahasznosítási mutató (PUE, power usage effectiveness) nevű mérőszámmal mérik. Az energiahasznosítási mutatót, amelyet a Green Grid az adatközpontok energiafelhasználási hatásfokának összehasonlítására szolgáló szabványos mérőszámként dolgozott ki, az adatközpont teljes energiafelvételének és az informatikai (IT) berendezések fogyasztásának arányaként lehet meghatározni.

Az energiahasznosítási mutató elég alapvető statisztikai adat ahhoz, hogy a fejlesztendő területeket azonosítani lehessen. Annak ellenére, hogy nem tökéletes mérőszám, ágazati szabvány lett. Az energiahasznosítási mutatónak ideális esetben 1-hez közeli értéknek kellene lennie, ami azt jelentené, hogy az adatközpontnak csak az informatikai igényeinek kielégítéséhez van szüksége villamos energiára. A Megújuló Energiák Nemzeti Laboratóriuma (NREL, National Renewable Energy Laboratory) szerint azonban az átlagos energiahasznosítási mutató 1,8 körül van. Az energiahasznosítási mutató értékei az adatközpontok esetében széles skálán mozognak, de a hatásfokra összpontosító adatközpontok gyakran elérik az 1,2 vagy annál kisebb értéket.

Különböző okai lehetnek annak, hogy magas az energiahasznosítási mutató értéke, például a következők:

• „Zombi” (vagy „kómában lévő”) kiszolgálók (elterjedt idegen szóval szerverek) és szünetmentes tápegységek (UPS-ek), azaz bekapcsolt, de nem teljesen kihasznált berendezések. Ezek olyan nem szándékosan tétlen állapotban működő eszközök, amelyek láthatóság vagy külső kommunikáció nélkül fogyasztanak áramot.
• Rossz hatásfokú tartalékolási és hűtési stratégiák.
• Az adatközpontok inkább a megbízhatóságra, mintsem a hatásfokra összpontosítanak.

Az energiahasznosítási mutató csökkentésének két gyakori módszere a hűtőventilátorok frekvenciaváltós vezérlőegységekkel (VFD, variable frequency drive) való felszerelése, valamint a kiszolgálók és szünetmentes tápegységek számának minimálisra csökkentése. Az elmúlt néhány évben a hagyományos 12 V-os architektúrákról a jobb hatásfokú 48 V-os rendszerekre való áttérés (lásd az 1. ábrát) jelentősen csökkentette az energiaveszteségeket (I2R-veszteségek), jobb hatásfokú megoldásokat biztosítva az egyre nagyobb energiaigényű adatfeldolgozó rendszerek számára. Az, hogy 48 V-ot használnak az áramellátó architektúrában, tizenhatszor kisebb I2R-veszteséget eredményez. Ez segít megfelelni az energiafelhasználás hatásfokára vonatkozó, folyamatosan növekvő követelményeknek, figyelembe véve, hogy a hatásfok 1 százalékos javulása az egész adatközpont szintjén több kilowatt (kW) megtakarítást jelenthet.

1. ábra: A széles tiltott sávú félvezetők jobb teljesítményt nyújtanak, mint a szilícium (kép: Researchgate)

A széles tiltott sávú félvezetők előnyei az adatközpontokban

Bár a szilícium (Si) a legismertebb félvezető, kisebb a tiltott sávja, mint a széles tiltott sávú (WBG, wide bandgap) félvezetőknek, például a gallium-nitridnek (GaN) és a szilícium-karbidnak (SiC), emiatt kisebb az üzemi hőmérséklete, kisebb feszültségekre korlátozódik a felhasználhatósága, és rosszabb a hővezető képessége.

A jobb hatásfokú teljesítményeszközök, például széles tiltott sávú félvezetők használata a szilícium helyett jobb hatásfokú megoldásokat eredményezhet. A széles tiltott sávú félvezetők – például a GaN és a SiC – lehetőséget adnak a szilíciumra épülő technika korlátainak leküzdésére, nagy átütési feszültséget és kapcsolási frekvenciát, kis vezetési és kapcsolási veszteségeket, jobb hőelvezetést és kisebb méretet tesznek lehetővé (lásd az 1. ábrát). Ez a tápegységek és áramátalakító fokozatok jobb hatásfokát eredményezi. Amint korábban említettük, egy adatközpontban akár egyetlen százalékpontos hatásfoknövekedés is jelentős energiamegtakarítást eredményezhet.

A gallium-nitrid (GaN)

A GaN a széles tiltott sávú anyagok feltörekvő csoportjába tartozik, mert az elektronok tiltott sávja háromszor akkora (3,4 eV), mint a szilícium esetében (1,1 eV). Emellett a GaN elektronmozgékonysága kétszer akkora, mint a szilíciumé. A GaN nagy kapcsolási frekvenciákon tapasztalható, jól ismert és páratlan hatásfokát a rendkívül nagy elektronmozgékonysága teszi lehetővé.

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a GaN-alapú teljesítményeszközök nagyobb villamos térerőnek is ellenálljanak kisebb félvezetőszelet-méret mellett. A kisebb tranzisztorok és a rövidebb áramutak rendkívül kis ellenállást és kapacitást eredményeznek, ami akár 100-szor gyorsabb kapcsolási sebességet is lehetővé tesz.

A kisebb ellenállás és kapacitás is javítja az energiaátalakítás hatásfokát, így több energia jut az adatközpontokban a hasznos terhelésekre. Ahelyett, hogy az adatközpont több hőt termelne, ami miatt erősebben kellene hűteni, felvett wattonként több adatközponti művelet végezhető. A nagy frekvenciájú kapcsolás csökkenti az energiatároló passzív alkatrészek méretét és tömegét is, mivel minden egyes kapcsolási ciklusnak lényegesen kevesebb energiát kell tárolnia. A GaN másik előnye, hogy képes támogatni a különböző áramátalakító és tápegység-áramköri elrendezéseket.

A GaN legfontosabb jellemzői az adatközpontokban való felhasználást illetően a következők:

• Használható kemény és lágy kapcsolást végző áramkörökben
• Gyors nyitás és zárás (a GaN kapcsolási hullámformája majdnem egyezik az ideális négyszöghullámmal)
• Nulla záróirányú töltésmennyiség
• A Si-alapú technikához képest:
  • tízszeres átütési szilárdság
  • kétszer akkora elektronmozgékonyság
  • tizedannyi kimeneti töltés
  • tizedannyi kaputöltés és lineáris veszteségi jelleggörbe

Ezek a jellemzők lehetővé teszik a GaN tápegységek számára, hogy elérjék az alábbiakat:

• Jó hatásfok, nagy teljesítménysűrűség és kapcsolási frekvenciák
• Kisebb méret és nyitóirányú ellenállás
• Kis tömeg
• Szinte veszteségmentes kapcsolóüzemű működés

A 2. ábra a GaN teljesítményeszközök egy jellegzetes felhasználási területét mutatja. Ezek a nagyfeszültségű, híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító (PFC, power factor correction) fokozatok és nagyfeszültségű rezonáns LLC fokozatok megfelelnek a kiszolgálók kapcsolóüzemű tápegységeire (SMPS, switched-mode power supplies) vonatkozó szigorú követelményeknek, és széles terhelési tartományban 99% feletti egyenletes hatásfokot és nagy teljesítménysűrűséget érnek el.

2. ábra: Egy adatközponti kiszolgálókhoz való jó hatásfokú GaN kapcsolóüzemű tápegység (SMPS) blokkvázlata (ábra: Infineon)

A szilícium-karbon (SiC)

Történelmileg a SiC teljesítményeszközök egyik első felhasználási területét az adatközpontokban lévő szünetmentes tápegységek (UPS, uninterruptible power supply) jelentették. Az adatközpontokban elengedhetetlen a szünetmentes tápegységek használata, hogy megelőzzék a hálózati feszültség kimaradásának vagy megszakadásának az adatközpontok működésére potenciálisan katasztrofális hatásait. Az áramellátás redundanciája kulcsfontosságú az adatközpontok folyamatos működésének és megbízhatóságának biztosításához. Az adatközpontok energiahasznosítási mutatójának optimalizálása minden vállalkozó és üzemeltetési vezetőség számára elsődleges fontosságú.

Az adatközpontokban megbízható, állandó áramforrásra van szükség. Ennek a követelménynek a teljesítésére gyakran használnak feszültség- és frekvenciafüggetlen (VFI, voltage and frequency-independent) szünetmentes tápegységeket. A feszültség- és frekvenciafüggetlen szünetmentes tápegységet egy egyenirányító, egy inverter és egy bemenetsimító áramkör alkotja. Egy elsősorban karbantartáskor használt áthidaló kapcsoló a tápegység váltakozó áramú bemenetét közvetlenül a szünetmentes tápegység kimenetére kapcsolja. Hálózati áramkimaradás esetén a jellemzően több cellából álló akkumulátor egy feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő áramátalakítóhoz kapcsolódik, és árammal látja el a tápegységet.

Mivel a bemeneten lévő váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé, majd ismét pontosan szinuszos kimeneti feszültséggé alakítják, ezek az eszközök jellemzően kétszeres átalakítású áramkörök. A kimenőjel kiküszöböli a tápfeszültség minden ingadozását, így a szünetmentes tápegység egyenletes és tiszta jelet ad a terhelésre. A feszültségátalakítási folyamat a rendszer áramforrástól való elszigetelése mellett a terhelést is védi a feszültségingadozásoktól.

Egészen a közelmúltig a legjobb hatásfokot szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokkal (IGBT, insulated-gate bipolar transistor) kialakított háromfokozatú kapcsolóáramkörökkel érték el. Ezzel a megoldással 96%-os hatásfokot lehetett elérni, ami jelentős előrelépés volt a korábbi transzformátoralapú típusokhoz képest.

A szilícium-karbid tranzisztorok lehetővé tették a kétszeres átalakítású szünetmentes tápegységekben a teljesítményveszteségek jelentős (> 70%) csökkentését és a hatásfok növelését. Ez a figyelemre méltó (több mint 98%-os) hatásfok kisebb és nagyobb terhelés esetén is megmarad.

Az ilyen jellegű eredmények a szilícium-karbid velejáró tulajdonságai miatt érhetők el. A hagyományos szilíciumalapú eszközökhöz, például a MOSFET-ekhez és az IGBT-khez képest a SiC magasabb hőmérsékleten, nagyobb frekvencián és feszültségen képes működni.

A SiC-alapú szünetmentes tápegységek további előnye a nagyobb hőveszteség (vagy jobb hőleadás), ami lehetővé teszi a magasabb hőmérsékleten való működést. Ez a funkció lehetővé teszi a tervezők számára, hogy kisebb méretű és gazdaságosabb hűtési megoldásokat használjanak. Összességében a SiC-alapú szünetmentes tápegységek jobb hatásfokúak, könnyebbek és kisebbek, mint a szilíciumalapú alkatrészeket tartalmazó hasonló készülékek.

A SiC-alapú félvezetők velejáró tulajdonságaik miatt a hagyományos Si félvezetőknél magasabb hőmérsékleten is használhatóak. Ennek köszönhetően csökkenthetőek az ügyfél hűtési költségei, mivel a szünetmentes tápegység kisebb hőmérséklet miatti veszteséget okoz, és magasabb hőmérsékleten is képes működni.

Az adatközpontok alapterületének jobb kihasználását elősegíti, hogy a hagyományos Si-alapú szünetmentes tápegységekhez képest a SiC-alapú szünetmentes tápegységek tömege és a mérete is kisebb. A SiC-alapú szünetmentes tápegységek ráadásul kisebb alapterületet is igényelnek, ami növeli az egy adott területen elérhető teljesítményt.

Összegzés

Összefoglalva: a széles tiltott sávú anyagok, mint a GaN és a SiC, olyan feltörekvő félvezetők, amelyek új pályát nyitnak a teljesítményelektronika számára az olyan magas követelményeket támasztó felhasználási területeken, mint az adatközpontok. Előnyeik közé tartozik a rendszer jobb hatásfoka, a kisebb hűtőrendszerigény, a magasabb hőmérsékleten való működés és a nagyobb teljesítménysűrűség. A GaN és SiC teljesítményeszközök áramátalakítókba és tápegységekbe történő beépítésével az adatközpontok üzemeltetőinek célja a nagyobb hatásfok elérése, a szabad alapterület maximálisra növelése és a működési költségek csökkentése az egész létesítményben.