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par Di Chen, Directeur du marketing technique, Cambridge GaN Devices

En 2025, la croissance exponentielle de l’IA a entraîné une augmentation de 50 % de la demande électrique des centres de données dédiés à l’intelligence artificielle, alors que la demande mondiale totale d’électricité n’a progressé que de 3 %. Cette tendance va se confirmer puisque la consommation électrique de ces centres devrait atteindre 950 TWh en 2030. (IEA , 2026) Cette hausse de la puissance ne s’explique pas uniquement par le nombre croissant de centres de données : la densité de puissance à l’intérieur de ces installations augmente également de manière fulgurante. En effet, les unités de traitement graphique (GPU) de dernière génération, utilisées pour l’IA, affichent une consommation dépassant 1 kW, soit une hausse majeure par rapport aux 500 W de la génération précédente. La demande accrue des composants, couplée à la pression pour augmenter le nombre de GPU par rack, fait que la consommation d’une baie atteint facilement un mégawatt.

On prend conscience de la densité de puissance de ces racks lorsqu’on réalise qu’on estime qu’en 2027 une seule baie, bien que de dimensions équivalentes à celles d’un grand réfrigérateur, devrait consommer autant d’énergie que 65 foyers(IEA , 2026).

Cette demande énergétique a provoqué un changement dans le réseau de distribution et les alimentations nécessaires. Plutôt que d’utiliser une distribution en courant alternatif (AC) dans l’ensemble du centre de données avec un bus de 48 V, Nvidia propose désormais de distribuer du courant continu (DC) aux serveurs d’IA à 800 V. Cela nécessite de revoir la conception des alimentations afin qu’elles soient plus compactes et plus efficaces et ainsi réduire les pertes.

Ces tendances ont un impact considérable sur la distribution et la conversion d’énergie au sein du centre de données. Avec plusieurs gigawatts de puissance en jeu, il devient capital de réduire les pertes et d’augmenter l’efficacité des alimentations. Une amélioration de l’efficacité de quelques points de pourcentage, en passant de 97 % à 99 %, par exemple, permet d’économiser de grandes quantités d’énergie, entraînant des économies sur les coûts d’exploitation et des bénéfices environnementaux. Une meilleure efficacité signifie également moins de besoins de refroidissement, réduisant les coûts liés à l’eau ou aux fluides diélectriques utilisés, et permettant des systèmes d’alimentation plus compacts. De nouvelles technologies de boîtier peuvent également aider à simplifier la conception des systèmes de refroidissement, rendant l’alimentation plus petite et permettant d’installer davantage de GPU dans une baie.

La technologie au nitrure de gallium (GaN) offre la capacité de fournir une efficacité supérieure avec une empreinte réduite, grâce à sa capacité à commuter à des fréquences plus élevées que les autres technologies semi-conductrices.

Mais l’adoption de cette technologie ne consiste pas simplement à substituer les composants au silicium par des composants GaN dans les alimentations. La technologie GaN nécessite un pilote de grille plus complexe, variant de -3 V à +6 V. Cela signifie qu’il faut utiliser des pilotes de composants différents, avec des exigences de temporisation plus complexes.

Technologie ICeGaN

L’ajout d’une interface de grille à un transistor GaN 650 V à faible résistance à l’état passant (RDS(on)) peut simplifier considérablement l’utilisation de ce composant dans la conception des alimentations des serveurs d’IA. Cela permet d’utiliser une puce pilote MOS standard, avec une polarisation typique de 12 V à 15 V, pour piloter le composant GaN.

La technologie ICeGaN® développée par Cambridge GaN Devices (CGD) est un circuit intégré (CI) de puissance qui implémente l’interface sur le même substrat que le transistor HEMT à mode d’enrichissement (e-mode), au lieu d’utiliser un MOSFET en silicium séparé en configuration Cascode ou un circuit intégré en silicium co-encapsulé avec le transistor. L’implémentation de l’interface sur la même puce permet un boîtier extra plat au profil optimisé et à faible inductance, ce qui est la clé pour réduire les pertes et augmenter l’efficacité des convertisseurs de puissance.

Les dispositifs ICeGaN comprennent un HEMT de grille auxiliaire qui limite l’entrée de grille externe et fournit une polarisation de grille interne stable pour le HEMT e-mode principal. Cela signifie que les dispositifs ICeGaN sont pilotés avec des polarisations de grille comprises entre 9 V et 20 V environ, et qu’ils peuvent tolérer en toute sécurité des tensions transitoires plus élevées. Cela double également efficacement la tension de seuil apparente avoisinant les 3-4 V, et améliorant ainsi l’immunité au bruit sur la grille.

Une pince Miller est également intégrée dans les composants ICeGaN pour assurer une mise à la terre robuste lorsque le HEMT n’est pas activé. Cela signifie que les concepteurs n’ont pas besoin de fournir des tensions de grille négatives pour maintenir le composant hors tension (OFF) lorsqu’il est censé être éteint. La pince Miller offre également une zone de fonctionnement sécurisée plus large et améliore la fiabilité de la grille en absorbant des pentes dV/dt plus élevées. Cela permet un fonctionnement rapide ne nécessitant pas de rails de tension négative supplémentaires et le contrôle par la valeur de la résistance de grille de mise en marche. Les concepteurs peuvent ainsi réguler la vitesse de commutation de mise en marche des composants ICeGaN en fonction des besoins spécifiques de l’application, et établir un compromis entre les interférences électromagnétiques et les pertes de commutation.

La consommation dynamique des GPU pour les charges de travail d’IA provoque de larges et rapides variations de charge qui ne peuvent pas être répercutées sur le réseau alternatif (AC). Pour éviter cela, chaque étape de la chaîne de conversion AC–DC doit pouvoir gérer les conditions de charge transitoires et inclure un stockage d’énergie local suffisant pour lisser ces fluctuations de puissance.

Cela signifie que les composants et la conception thermique doivent être dimensionnés pour la charge de pointe plutôt que pour la charge moyenne, garantissant ainsi que le convertisseur DC/DC 800 V peut fournir des surtensions de puissance à court terme sans surcharge ni perte de régulation.

La grille interne du HEMT d’alimentation ne commence à augmenter que lorsque la grille externe a dépassé environ 1,5 V. C’est cette tension de seuil supplémentaire qui permet à la technologie ICeGaN d’avoir une tension de seuil plus élevée que les transistors e-mode GaN discrets conventionnels, atteignant 2,9 V.

L’un des principaux avantages des composants HEMT GaN réside dans leurs performances de commutation, caractérisées par une charge de grille très faible et l’absence de diode intrinsèque, ce qui élimine pratiquement les pertes à l’extinction. Comme la pince Miller éteint le transistor à 0 V, les dispositifs ICeGaN ne sont pas sujets aux pertes de conduction inverse élevées, contrairement à d’autres composants GaN.

Plus important encore, le refroidissement du composant peut être considérablement amélioré en le reliant à la masse, ce qui permet d’utiliser des composants plus petits et de faire fonctionner le système à des températures plus basses.

Boîtier

La réduction de la résistance thermique du boîtier offre plusieurs avantages : une puissance de sortie plus élevée est disponible pour une même RDS(on), tandis que les composants fonctionnent à des températures plus basses pour une même puissance. Il devient ainsi possible d’utiliser un dissipateur thermique plus petit et plus léger, réduisant les coûts globaux du système. Grâce aux températures de fonctionnement plus basses, la fiabilité est accrue, la durée de vie est prolongée et les alimentations sont plus compactes dans les baies d’IA.

Le boîtier BHDFN-9-1 (Bottom Heat-spreader DFN) développé par CGD est un boîtier refroidi par le dessous, doté de flancs mouillables pour une inspection facile. Il utilise un leadframe plus épais pour évacuer la chaleur, offrant une résistance thermique de 0,28 K/W, ce qui égale ou dépasse les performances des autres dispositifs. Avec ses dimensions de 10 x 10 mm, le BHDFN est plus petit que le boîtier TOLL couramment utilisé, tout en partageant une empreinte similaire, ce qui facilite son intégration.

Contrairement aux composants GaN discrets, ICeGaN dispose d’une broche supplémentaire pour alimenter ses circuits internes (broche 1), la borne de grille étant la broche 2 et la borne Source Kelvin (KS) la broche 3. Dans le boîtier TOLL, la borne de grille est à la broche 1 et la borne KS à la broche 2. Cela permet de développer facilement une disposition commune pour assurer la compatibilité, où un composant TOLL est décalé sur le côté pour éviter la connexion à la borne d’alimentation sur la disposition ICeGaN. Cela offre la possibilité d’un remplacement quasi direct permettant à un composant ICeGaN de remplacer un composant TOLL.

Conception de systèmes de conversion d’énergie 800 V utilisant des composants GaN

Le convertisseur résonant à demi-pont empilé est une topologie largement utilisée pour l’alimentation des centres de données. Ce convertisseur est configuré en série à l’entrée et en parallèle à la sortie (ISOP, Input Series, Output Parallel). Cette configuration permet de convertir des entrées 800 V DC en utilisant des composants GaN 650 V. Les transformateurs plans et l’intégration magnétique avancée sont les clés pour fournir les étages de puissance à profil bas et compacts nécessaires lorsque les modules de conversion de puissance doivent être placés à proximité des cartes GPU et CPU.

Les réseaux de distribution d’alimentation 800 V utilisent déjà des fréquences de commutation comprises entre 500 et 800 kHz, avec des conceptions de référence pour les applications de serveurs d’IA. À mesure que la technologie GaN est adoptée plus largement, il y a une forte impulsion vers 1 MHz et au-delà afin d’augmenter davantage la densité de puissance et de réduire la taille des composants magnétiques, à condition que l’efficacité et la compatibilité électromagnétique puissent être maintenues à ces fréquences plus élevées.

Sécurité

La sécurité constitue une préoccupation centrale pour les architectures de conversion DC/DC 800 V, ce qui implique des considérations de conception supplémentaires.

Une isolation renforcée est requise pour le 800 V DC, avec des distances de fuite et de contournement plus importantes que pour les architectures de bus à plus basse tension. Les systèmes ±400 V DC utilisent une mise à la terre du point milieu à haute résistance ou une mise à la terre directe vers la terre de protection, et nécessitent moins de distances de fuite que les systèmes 800 V à une seule extrémité.

Les fonctions de remplacement à chaud et de disjoncteurs électroniques (eFuse) sont généralement intégrés à l’étage 800 V DC sur une carte de distribution d’alimentation, afin que les appels de courant, les surcharges et l’isolement des défauts soient contrôlés au plus près de l’alimentation au niveau de la baie.

Les convertisseurs DC/DC 800 V sont également souvent implémentés sous la forme d’étages à boucle ouverte de type LLC, avec le contrôleur situé du côté secondaire et une limitation de la détection du côté primaire. Cela nécessite une protection supplémentaire du côté primaire, telle que la détection des surtensions et des conditions anormales, pour gérer en toute sécurité les défauts d’entrée.

En cas de défaillance, la conception du convertisseur DC/DC 800 V doit imposer un confinement strict de l’énergie de défaut afin que la fumée, le feu ou les dommages par brûlure ne se propagent pas vers les cartes GPU ou les autres composants du tiroir, préservant ainsi la disponibilité du système et l’intégrité du matériel.

Un exemple concret

Soit la réalisation d’un prototype de module en demi-pont de 3 kW, convertissant 400 V en 50 V, utilisant des composants P2 de Cambridge GaN Devices (CGD) avec une résistance à l’état passant (RDS(on)) de 25 mΩ du côté primaire d’un transformateur plan. Cette démonstration illustre la densité de puissance et l’efficacité élevées réalisables grâce aux transistors HEMT ICeGaN. Le module atteint une efficacité maximale de 98,7 % et délivre 97,5 % d’efficacité à pleine charge.

L’architecture modulaire permet une mise à l’échelle parallèle simple vers des niveaux de puissance supérieurs, tels que 6 kW ou 12 kW, pour des applications d’alimentation haute puissance DC/DC. L’extinction de phases entre les modules entrelacés peut ensuite être utilisée pour optimiser le rendement global du système sur une large plage de charge.

Conclusion

Les concepteurs d’alimentations se tournent de plus en plus vers la technologie GaN pour les applications dans les centres de données. Cependant, lors de la conception avec des composants GaN conventionnels, il peut s’avérer difficile d’atteindre des performances optimales. Par exemple, la tension de grille négative requise pose des difficultés pour atteindre les fréquences de commutation plus élevées qui permettent de concevoir des convertisseurs de puissance plus compacts.

Toutefois, l’ajout d’une interface intelligente sur la même puce que le composant de puissance GaN offre plusieurs avantages aux concepteurs d’alimentations pour les centres de données d’IA, car elle réduit considérablement le coût, la taille et le poids des alimentations dans les réseaux d’alimentation 800 V des centres de données.