Les semi-conducteurs à large bande interdite améliorent l'efficacité dans les data centers

Les data centers jouent un rôle crucial et essentiel dans un monde de plus en plus numérique, connecté et virtualisé. Étant donné que les data centers ont d'énormes besoins en énergie, des solutions d'alimentation capables de réduire les pertes de puissance, d'augmenter le rendement et d'améliorer le contrôle thermique sont nécessaires.

Le trafic sur Internet a considérablement augmenté ces derniers temps en raison d'un nombre plus important d'utilisateurs, de l'utilisation généralisée des dispositifs mobiles et des réseaux sociaux et du stockage à distance des informations dans le cloud. Selon les analystes, la croissance de ce trafic doit encore atteindre la pleine saturation.

Ces prévisions de croissance soulèvent des questions quant à l'efficacité des équipements et à la consommation d'électricité, ce qui stimule le développement de nouvelles technologies de conversion de puissance écoénergétiques comme celles offertes par les dispositifs de puissance à large bande interdite (WBG).

L'efficacité est primordiale

Outre l'infrastructure physique, un data center est une structure qui abrite des serveurs informatiques en réseau pour le traitement électronique, le stockage et la distribution des données. Le composant clé d'un data center est le serveur, un dispositif qui stocke les données alimentant Internet, le cloud computing et les Intranets d'entreprise.

La demande d'énergie augmente en raison du volume croissant de données numériques créées, traitées et stockées. En plus d'alimenter les racks, le stockage de données et les unités réseau, les data centers ont également besoin d'équipements de refroidissement et de ventilation auxiliaires pour évacuer la chaleur produite lors du traitement des données et de la conversion de l'énergie électrique.

La structure typique du système de conversion de puissance utilisé dans un data center comprend plusieurs convertisseurs de tension CA/CC, CC/CA et CC/CC, dont dépend strictement l'efficacité de l'ensemble du data center. La réduction des pertes dans les convertisseurs qui alimentent les dispositifs de traitement et de stockage des données présente deux avantages clés. D'une part, il n'est pas nécessaire de fournir l'énergie qui n'est pas convertie en chaleur et, d'autre part, il y a une réduction de l'énergie requise pour évacuer la chaleur résiduelle.

L'efficacité d'un data center est souvent mesurée à l'aide de l'indicateur d'efficacité énergétique PUE (Power Usage Effectiveness). Développé par The Green Grid comme méthode standard de comparaison de la consommation d'énergie des data centers, le PUE est défini comme le rapport global de consommation d'énergie du data center par rapport à la consommation d'énergie des équipements informatiques.

La mesure du PUE est une statistique suffisamment basique pour identifier les domaines à développer. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une mesure parfaite, elle est devenue une norme industrielle. Le PUE devrait idéalement être proche de l'unité, impliquant que le data center n'a besoin d'électricité que pour répondre à sa demande informatique. Cependant, selon le laboratoire National Renewable Energy Laboratory (NREL)2, le PUE moyen est d'environ 1,8. Les valeurs PUE des data centers varient considérablement, mais les data centers axés sur l'efficacité atteignent fréquemment des valeurs PUE de 1,2 ou moins.

Un PUE élevé peut avoir différentes causes, telles que les suivantes :

• Alimentations secourues (UPS) et serveurs « zombies » (ou « comateux »), c'est-à-dire des équipements allumés mais pas pleinement utilisés. Ils incluent des dispositifs involontairement inactifs qui consomment de l'électricité sans visibilité ni communications externes
• Stratégies de sauvegarde et de refroidissement inefficaces
• Les data centers sont plus axés sur la fiabilité que sur l'efficacité

L'ajout de variateurs de fréquence (VFD) aux ventilateurs de refroidissement et la réduction du nombre de serveurs et d'alimentations secourues sont deux méthodes courantes pour réduire le PUE. Au cours des dernières années, la transition des architectures 12 V héritées vers des solutions 48 V plus efficaces (voir la Figure 1) a réduit les pertes de puissance significatives (pertes I2R), fournissant aux systèmes de traitement de plus en plus gourmands en énergie des solutions plus efficaces. L'utilisation de 48 V dans l'architecture de puissance se traduit par des pertes I2R seize fois inférieures. Cela contribue à répondre aux exigences d'efficacité énergétique toujours plus élevées, étant donné qu'une amélioration de l'efficacité de 1 % peut permettre d'économiser des kilowatts au niveau du data center complet.

Figure 1 : Les semi-conducteurs WBG offrent de meilleures performances que le silicium. (Source de l'image : Researchgate)

Avantages des semi-conducteurs WBG dans les data centers

Bien que le silicium (Si) soit la technologie la plus connue, il présente une bande interdite plus étroite que les matériaux à large bande interdite (WBG) comme le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ce qui abaisse sa température de fonctionnement, limite son utilisation à plus basses tensions et réduit sa conductivité thermique.

L'adoption de dispositifs de puissance plus efficaces, tels que les semi-conducteurs WBG à la place du silicium, peut être une alternative plus efficace. Les semi-conducteurs WBG, tels que le GaN et le SiC, permettent de surmonter les limites de la technologie silicium, en fournissant des tensions de claquage élevées, une fréquence de commutation élevée, de faibles pertes par conduction et de commutation, une meilleure dissipation thermique et un facteur de forme plus petit (voir Figure 1). Cela se traduit par une meilleure efficacité des étages d'alimentation et de conversion de puissance. Comme mentionné précédemment, dans un data center, même une augmentation d'un seul point de pourcentage de l'efficacité peut se traduire par des économies d'énergie substantielles.

GaN

Le GaN est une classe émergente de matériaux à large bande interdite car il a une bande interdite électronique trois fois plus grande (3,4 eV) que le silicium (1,1 eV). De plus, le GaN a une mobilité électronique deux fois supérieure à celle du silicium. L'efficacité bien connue et inégalée du GaN à des fréquences de commutation très élevées est rendue possible par son incroyable mobilité électronique.

Ces propriétés permettent à des dispositifs de puissance basés GaN de résister à des champs électriques plus forts dans une taille de puce plus petite. Des transistors plus petits et des trajets de courant plus courts résultent en une résistance et une capacité ultrafaibles, permettant des vitesses de commutation jusqu'à 100 fois plus rapides.

La résistance et la capacité réduites augmentent également l'efficacité de la conversion de puissance, offrant plus de puissance pour les charges de travail dans les data centers. Au lieu de produire plus de chaleur, ce qui nécessiterait plus de refroidissement pour le data center, davantage d'opérations de data center peuvent être effectuées par watt. La commutation de fréquence haute vitesse diminue également la taille et le poids des composants passifs de stockage d'énergie car chaque cycle de commutation stocke beaucoup moins d'énergie. Un autre avantage du GaN est sa capacité à prendre en charge différentes topologies de convertisseurs de puissance et d'alimentation.

Les principales fonctionnalités du GaN pertinentes pour les applications de data center sont les suivantes :

• Prise en charge des topologies de commutation douce et dure
• Mise en marche et arrêt rapides (la forme d'onde de commutation GaN est presque identique à l'onde carrée idéale)
• Charge de recouvrement inverse nulle
• Par rapport à la technologie Si :
  • Champ de claquage 10 fois plus élevé
  • Mobilité 2 fois supérieure
  • Charge de sortie 10 fois inférieure
  • Charge de grille 10 fois inférieure et caractéristique Coss linéaire

Ces fonctionnalités permettent aux dispositifs de puissance GaN de créer des solutions atteignant :

• Haute efficacité, haute densité de puissance et hautes fréquences de commutation
• Facteur de forme réduit et faible résistance à l'état passant
• Faible poids
• Opération de commutation presque sans perte.

Une application cible typique pour les dispositifs de puissance GaN est illustrée à la Figure 2. Les étages PFC totem-pôle sans pont haute tension et les étages LLC résonants haute tension peuvent répondre aux exigences strictes des alimentations à découpage (SMPS) des serveurs, atteignant un rendement plat supérieur à 99 % sur une large plage de charges, et une haute densité de puissance.

Figure 2 : Alimentation à découpage GaN haut rendement pour serveurs de data center. (Source : Infineon)

SiC

Historiquement, l'une des premières applications des dispositifs de puissance SiC dans les data centers concernait l'équipement UPS. L'alimentation secourue est essentielle pour les data centers afin d'éviter les effets potentiellement désastreux d'une panne ou d'une interruption de la tension secteur sur leurs opérations. La redondance d'alimentation est cruciale pour assurer la continuité et la fiabilité opérationnelles d'un data center. L'optimisation de l'efficacité énergétique du data center est une priorité essentielle pour chaque entrepreneur et responsable des opérations.

Une source d'alimentation fiable et constante est nécessaire pour un data center. Les systèmes UPS indépendants de la tension et de la fréquence (VFI) sont fréquemment utilisés pour répondre à cette exigence. Un convertisseur CA/CC (redresseur), un convertisseur CC/CC (onduleur) et une liaison CC constituent un dispositif UPS VFI. Un commutateur de dérivation, principalement utilisé durant la maintenance, connecte la sortie UPS directement à la source d'alimentation CA à l'entrée. En cas de panne d'alimentation secteur, la batterie, généralement composée de plusieurs cellules, se connecte à un convertisseur abaisseur ou élévateur et fait marcher l'alimentation.

Étant donné que la tension alternative à l'entrée est convertie en tension continue, puis à nouveau en une tension de sortie précisément sinusoïdale, ces dispositifs sont généralement des circuits à double conversion. Il en résulte l'élimination de toute variation de la tension d'alimentation, permettant à l'alimentation secourue de fournir à la charge un signal stable et propre. En plus d'isoler le système de la source d'alimentation, le processus de conversion de tension protège la charge des fluctuations de tension.

Jusqu'à récemment, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) avec des topologies de commutation à trois niveaux offraient les meilleurs résultats d'efficacité. Des niveaux d'efficacité de 96 % ont été atteints grâce à cette approche, ce qui représente une amélioration significative par rapport aux modèles précédents basés sur des transformateurs.

Les transistors au carbure de silicium ont permis de réduire considérablement (> 70 %) les pertes de puissance et d'augmenter l'efficacité des systèmes UPS à double conversion. Cette efficacité remarquable (plus de 98 %) est maintenue même en cas de charge faible ou élevée.

Des résultats de ce type peuvent être obtenus grâce aux propriétés intrinsèques du carbure de silicium. Par rapport aux dispositifs silicium traditionnels, tels que les MOSFET et les IGBT, le SiC peut fonctionner à des températures, des fréquences et des tensions plus élevées.

Un autre avantage des alimentations secourues basées SiC est une meilleure valeur de perte de chaleur (ou rejet de chaleur), qui permet un fonctionnement à des températures plus élevées. Cette fonctionnalité permet aux concepteurs d'adopter des solutions de refroidissement plus compactes et économiques. Globalement, une alimentation secourue basée SiC est plus efficace, plus légère et plus compacte qu'un modèle équivalent avec des composants silicium.

Les semi-conducteurs SiC peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les semi-conducteurs Si traditionnels en raison de leurs propriétés inhérentes. Les coûts de refroidissement du client peuvent ainsi être réduits en raison de la perte de chaleur plus faible de l'alimentation secourue et de sa capacité à fonctionner à des températures plus élevées.

Lors de l'optimisation de l'espace au sol disponible dans un data center, une alimentation secourue SiC permet de réduire le poids et la taille par rapport à une alimentation secourue Si conventionnelle. De plus, une alimentation secourue SiC requiert moins d'espace au sol, ce qui augmente la capacité de puissance disponible dans une zone donnée.

Conclusion

En résumé, les matériaux WBG, comme le GaN et le SiC, sont des semi-conducteurs émergents qui vont permettre d'ouvrir une nouvelle voie pour l'électronique de puissance dans les applications exigeantes telles que les data centers. Leurs avantages incluent une efficacité système accrue, des exigences inférieures en matière de système de refroidissement, un fonctionnement à des températures plus élevées et une densité de puissance supérieure. L'intégration de composants de puissance GaN et SiC dans les convertisseurs de tension et les alimentations permettra aux opérateurs de data centers d'atteindre leurs objectifs en matière de rendements plus élevés, d'optimisation de l'espace au sol et de réduction des coûts d'exploitation dans les installations.