Claves sobre los semiconductores de potencia en 20 segundos
- Las racks de IA avanzan hacia potencias de cientos de kilovatios y, en futuras generaciones, podrían alcanzar un megavatio.
- El SiC sobresale en etapas de conversión de alta tensión y potencia elevada.
- El GaN permite conmutaciones rápidas y eficientes en determinadas etapas de las fuentes de alimentación.
- El silicio mantiene su utilidad en circuitos maduros y en etapas donde el coste y la integración son prioridades más que otras prestaciones.
- Las arquitecturas de 800 V en corriente continua están impulsando el rediseño de la distribución eléctrica en centros de datos.
Por qué los racks de IA están transformando la distribución eléctrica
Las fuentes de alimentación tradicionales de servidores fueron diseñadas para densidades de potencia inferiores a las que exigen los aceleradores actuales. Cuando la potencia de un rack aumenta, distribuirla a baja tensión requiere transportar mayores corrientes, lo que incrementa pérdidas resistivas, genera más calor en los conductores y aumenta las exigencias sobre barras colectoras y conectores.
La física es sencilla: para mantener la misma potencia, elevar la tensión disminuye la corriente necesaria. Por ello, los fabricantes están estudiando arquitecturas de alta tensión en corriente continua, conocidas como HVDC, que pueden trabajar con buses de 800 V en ciertos diseños.
La transición no solo implica modificar la tensión de salida de una fuente; también requiere adaptar los sistemas de conversión, las protecciones eléctricas, los conectores, la distribución dentro del rack y los mecanismos de mantenimiento. En algunas arquitecturas, los equipos de alimentación se sitúan en un módulo cercano, denominado sidecar, separado físicamente de los servidores.
Una entrevista técnica publicada por The Data Center Engineer recoge previsiones de arquitectos de fuentes de alimentación de Infineon, que proyectan futuras configuraciones en torno a los 600 kW y superiores, con potencial de llegar a 1,2 MW en ciertos diseños. Estas son tendencias de evolución tecnológica, no una potencia universal para todos los racks ni una especificación aplicable a cualquier instalación.
Silicio, SiC y GaN: tres materiales con funciones distintas
La distribución de funciones entre estos tres materiales depende de las condiciones eléctricas de cada etapa. El silicio sigue siendo una opción competitiva gracias a su madurez industrial, disponibilidad y amplio catálogo de dispositivos de potencia. El SiC y el GaN pertenecen a la familia de semiconductores de banda prohibida ancha, capaces de ofrecer ventajas bajo ciertas condiciones de tensión, temperatura y conmutación.
El carburo de silicio se orienta a la conversión de alta potencia. Sus propiedades permiten diseñar componentes aptos para tensiones elevadas y aplicaciones donde la eficiencia y la gestión térmica son cruciales. En arquitecturas de centros de datos con distribución a 800 VDC, el SiC puede ser especialmente útil en las etapas de mayor potencia, desde la infraestructura eléctrica hasta los sistemas cercanos al rack.
El nitruro de galio sobresale en conmutación de alta frecuencia. Los dispositivos GaN pueden reducir ciertas pérdidas de conmutación y facilitar diseños compactos en etapas de conversión de potencia. Esto los hace atractivos en fuentes de alimentación y convertidores internos, aunque su idoneidad depende de la tensión, la topología, el encapsulado y los requisitos de fiabilidad.
El silicio mantiene un papel importante en la integración del sistema. Su madurez, coste y facilidad de integración aseguran su presencia en diversas etapas de conversión y control. La evolución hacia SiC y GaN no implica que el silicio desaparezca, sino que los diseñadores pueden combinar tecnologías para equilibrar eficiencia, coste y densidad de potencia.
Las fronteras no son rígidas. En algunas aplicaciones, dos materiales compiten entre sí; en otras, trabajan en complementación. La elección final depende de las pérdidas totales del sistema, las necesidades de refrigeración, la fiabilidad requerida y el coste total, más allá de las características de un transistor aislado.
La oportunidad industrial en toda la cadena de alimentación
El crecimiento de centros de datos para IA genera oportunidades para fabricantes de semiconductores, fuentes de alimentación, módulos de potencia, conectores, barras colectoras y sistemas de refrigeración. La adopción de tensiones más altas puede modificar los componentes necesarios y su ubicación, pero el resultado final dependerá de las arquitecturas que implementen los operadores y fabricantes de aceleradores.
El informe técnico de Infineon sobre alimentación para centros de datos compara el uso de silicio, SiC y GaN en distintas etapas de conversión, desde la entrada de corriente alterna hasta las tensiones empleadas en los componentes electrónicos. Resalta que el rendimiento debe evaluarse en toda la cadena, ya que las pérdidas acumuladas en múltiples conversiones pueden ser significativas.
TrendForce también ha analizado la transición hacia sistemas HVDC de 800 V y las oportunidades que esto puede ofrecer a proveedores de SiC y GaN. Sin embargo, el crecimiento esperado del mercado no garantiza que un material domine en todas las etapas ni que todos los diseños tengan la misma arquitectura.
La alimentación eléctrica está convirtiéndose en un factor limitante de diseño comparable a la capacidad de procesamiento, memoria y conectividad. Incrementar el número de aceleradores es inútil si el rack no puede recibir y distribuir eficientemente la potencia necesaria sin pérdidas excesivas ni temperaturas elevadas. Por ello, el próximo paso en la evolución de los centros de datos dependerá tanto de la electrónica de potencia como de los procesadores de IA.
Preguntas frecuentes
¿Por qué los racks de IA necesitan más tensión eléctrica?
Porque, al aumentar la potencia, una tensión mayor permite transportar la misma cantidad de energía con menor corriente. Esto ayuda a reducir pérdidas resistivas y exige menos a los conductores, aunque requiere adaptar la conversión y las protecciones.
¿Cuál es la diferencia entre SiC y GaN?
El SiC resulta especialmente interesante para aplicaciones de alta tensión y potencia elevada. El GaN destaca en conmutaciones rápidas y frecuencias altas, pero la elección depende del diseño completo del sistema eléctrico.
¿Seguirá utilizándose el silicio en los centros de datos?
No necesariamente. Gracias a su bajo coste y madurez, el silicio seguirá siendo útil en etapas donde sea competitivo. Las futuras arquitecturas podrán combinar silicio, SiC y GaN según las necesidades específicas.
¿Cuándo llegarán racks de un megavatio?
La industria ya trabaja en arquitecturas que alcanzan cientos de kilovatios y, en algunos casos, se acercan o superan el megavatio. Los plazos y potencias dependerán de cada plataforma, sin que exista una configuración universal predeterminada.