Les clés des semi-conducteurs de puissance en 20 secondes

• Les racks d’IA progressent vers des puissances de centaines de kilowatts et, dans les générations futures, pourraient atteindre un mégawatt.
• Le SiC se démarque dans les étapes de conversion à haute tension et haute puissance.
• Le GaN permet des commutations rapides et efficaces dans certaines phases des alimentations électriques.
• Le silicium conserve son utilité dans les circuits matures et les étapes où le coût et l’intégration sont prioritaires par rapport à d’autres performances.
• Les architectures en 800 V en courant continu favorisent la redéfinition de la distribution électrique dans les centres de données.

Pourquoi les racks d’IA transforment la distribution électrique

Les alimentations traditionnelles des serveurs ont été conçues pour des densités de puissance inférieures à celles requises par les accélérateurs modernes. Lorsqu’un rack augmente en puissance, la distribuer en basse tension nécessite de transporter plus de courant, ce qui accroît les pertes résistives, la chauffe des conducteurs et la sollicitation des barres collectrices et connecteurs.

La loi physique est simple : pour une puissance donnée, augmenter la tension réduit le courant nécessaire. C’est pourquoi les fabricants étudient actuellement des architectures en haute tension en courant continu, connues sous le nom de HVDC, capables de fonctionner avec des bus de 800 V dans certains cas.

La transition ne se limite pas à un changement de tension de sortie des alimentations. Elle exige aussi d’adapter les systèmes de conversion, les protections électriques, les connecteurs, la distribution à l’intérieur du rack et les mécanismes de maintenance. Dans certaines architectures, les systèmes d’alimentation sont déplacés dans un module adjacent, appelé sidecar, séparé physiquement des serveurs.

Une interview technique publiée par The Data Center Engineer recueille les prévisions d’architectes de gestions d’alimentations d’Infineon. Elle situe les configurations futures autour de 600 kW et plus, avec possibilité d’atteindre 1,2 MW dans certains cas. Ces chiffres représentent des évolutions technologiques, pas une puissance universelle pour tous les racks ni une spécification applicable à toutes les installations.

Silicium, SiC et GaN : trois matériaux aux fonctions distinctes

La répartition des fonctions entre ces trois matériaux dépend des conditions électriques de chaque étape. Le silicium reste une option compétitive grâce à sa maturité industrielle, sa disponibilité et la vaste gamme de dispositifs de puissance. Le SiC et le GaN appartiennent à la famille des semi-conducteurs à bande interdite large, offrant certains avantages selon les conditions de tension, de température et de commutation.

Le carbure de silicium s’oriente vers la conversion de haute puissance. Ses propriétés permettent de concevoir des dispositifs adaptés aux tensions élevées et aux applications où l’efficacité et la gestion thermique sont cruciales. Dans une architecture de centre de données en distribution à 800 VDC, le SiC peut s’avérer intéressant pour les étapes de conversion à haute puissance, depuis l’infrastructure électrique jusqu’aux systèmes proches du rack.

Le nitrure de gallium se distingue en commutation à haute fréquence. Les dispositifs GaN peuvent réduire certaines pertes de commutation et faciliter des conceptions compactes dans les étapes de conversion de puissance. Cela les rend attractifs pour les alimentations et convertisseurs internes, même si leur usage dépend de la tension, de la topologie, de l’emballage et des exigences de fiabilité.

Le silicium joue toujours un rôle important dans le système global. Sa maturité, son coût et sa facilité d’intégration en font un choix pour diverses étapes de conversion et de contrôle. L’évolution vers le SiC et le GaN ne signifie pas la disparition du silicium, mais offre aux concepteurs la possibilité de combiner ces technologies pour équilibrer efficacité, coût et densité de puissance.

Les frontières ne sont pas absolues. Certaines applications peuvent voir deux matériaux concurrencer, d’autres bénéficier d’une utilisation complémentaire. Le choix final dépend des pertes totales du convertisseur, des besoins en refroidissement, de la fiabilité exigée et du coût global, et pas seulement des caractéristiques d’un seul transistor.

L’opportunité industrielle couvre toute la chaîne d’alimentation

La croissance des centres de données d’IA crée des opportunités pour les fabricants de semi-conducteurs, alimentations, modules de puissance, connecteurs, barres collectrices et systèmes de refroidissement. La tendance vers des tensions plus élevées peut modifier les composants nécessaires et leur positionnement, mais l’orientation finale dépendra des architectures adoptées par les opérateurs et fabricants d’accélérateurs.

Le rapport technique d’Infineon sur l’alimentation des centres de données compare l’usage du silicium, du SiC et du GaN à chaque étape de conversion, depuis l’entrée en courant alternatif jusqu’aux tensions digitales. Il soutient une idée essentielle : la performance doit s’évaluer sur l’ensemble de la chaîne, car les pertes cumulées de plusieurs conversions successives sont significatives.

TrendForce a également analysé la transition vers des systèmes HVDC en 800 V et les opportunités qu’elle pourrait offrir aux fournisseurs de SiC et GaN. Cependant, la croissance prévue du marché ne garantit pas la domination d’un seul matériau ni l’adoption uniforme de la même architecture par tous les fabricants.

L’alimentation électrique devient un paramètre limitant autant que la capacité de calcul, la mémoire ou la connectivité. Augmenter le nombre d’accélérateurs n’a d’intérêt que si le rack peut recevoir et distribuer la puissance nécessaire avec des pertes et une température acceptables. La prochaine génération de centres de données dépendra donc autant de l’électronique de puissance que des processeurs d’IA eux-mêmes.

Questions fréquentes

Pourquoi les racks d’IA nécessitent-ils une tension électrique plus élevée ?

Parce qu’augmenter la puissance avec une tension plus élevée permet de transporter la même énergie avec moins de courant. Cela réduit les pertes résistives et la sollicitation des conducteurs, mais nécessite aussi d’adapter la conversion et les protections.

Quelle différence entre SiC et GaN ?

Le SiC est particulièrement adapté aux applications en haute tension et forte puissance. Le GaN brille dans certaines applications de commutation rapide et haute fréquence, mais le choix dépend du cahier des charges électrique global.

Le silicium sera-t-il abandonné dans les centres de données ?

Pas nécessairement. Son coût et sa maturité en font encore une option dans des étapes où il reste compétitif. Les architectures futures pourront combiner silicium, SiC et GaN pour optimiser performance et coût.

Quand permettra-t-on des racks d’un mégawatt ?

Le secteur travaille sur des architectures capables d’atteindre des centaines de kilowatts, et dans certains futurs designs, de s’approcher ou dépasser le mégawatt. Les délais et puissances précis varieront selon chaque plateforme, sans constituer une norme universelle.