Il crescente impiego dell’intelligenza artificiale ha fatto aumentare del 50% nel 2025 la domanda di elettricità dei data center dedicati all’AI, in un contesto in cui la domanda globale complessiva di energia elettrica è cresciuta soltanto del 3%. Questa rapida crescita continuerà: secondo le previsioni, nel 2030 i consumi energetici di questi data center raggiungeranno 950 TWh (IEA, 2026).
L’aumento dei consumi non dipende soltanto dalla crescita del numero di data center: anche la densità di potenza al loro interno sta aumentando rapidamente. Le più recenti unità di elaborazione grafica (GPU) utilizzate per l’intelligenza artificiale consumano più di 1 kW, un valore nettamente superiore ai 500 W della generazione precedente. L’incremento della richiesta di potenza dei componenti, insieme alla pressione per aumentare il numero di GPU per rack, sta portando il consumo di un singolo rack fino a 1 MW.
La densità di potenza di questi rack risulta evidente considerando che, sebbene abbiano dimensioni paragonabili a quelle di un grande frigorifero, entro il 2027 un singolo rack potrebbe consumare tanta energia quanto 65 abitazioni (IEA, 2026).
Questa domanda energetica ha determinato un’evoluzione della rete di distribuzione della potenza e degli alimentatori necessari. Invece di utilizzare una distribuzione in corrente alternata all’interno del data center con un bus di alimentazione a 48 V, Nvidia propone ora di distribuire la corrente continua ai server per l’intelligenza artificiale all’interno del data center a 800 V. Ciò richiede nuovi progetti di alimentatori, più compatti ed efficienti, per ridurre le perdite.
Queste tendenze hanno un forte impatto sulla distribuzione e sulla conversione della potenza all’interno del data center. Quando vengono distribuiti gigawatt di potenza, ridurre le perdite e aumentare l’efficienza degli alimentatori diventa fondamentale. Incrementare l’efficienza di pochi punti percentuali, dal 97% al 99%, può consentire di risparmiare grandi quantità di energia, con vantaggi sia sui costi operativi sia sull’impatto ambientale. Una maggiore efficienza significa inoltre una minore necessità di raffreddamento, con una riduzione dei costi legati all’acqua o al dielettrico utilizzato e la possibilità di adottare sistemi di alimentazione più compatti. Anche le nuove tecnologie di packaging possono contribuire a semplificare la progettazione del sistema di raffreddamento, riducendo le dimensioni dell’alimentatore e consentendo di installare più GPU in un rack.
La tecnologia al nitruro di gallio (GaN) consente di ottenere una maggiore efficienza in un ingombro ridotto, grazie alla possibilità di operare a frequenze di commutazione superiori rispetto ad altre tecnologie a semiconduttore.
L’adozione di questa tecnologia, tuttavia, non è semplice come sostituire direttamente i dispositivi al silicio negli alimentatori. Il GaN richiede un pilotaggio del gate più complesso, con una tensione variabile da -3 V a +6 V. Sono quindi necessari driver differenti, caratterizzati da requisiti di temporizzazione più articolati.
ICeGaN
L’aggiunta di un’interfaccia di gate a un transistor GaN da 650 V con una bassa resistenza allo stato attivo (RDS(on)) può semplificare notevolmente l’impiego del dispositivo nella progettazione degli alimentatori per server dedicati all’intelligenza artificiale. In questo modo è possibile utilizzare un comune circuito integrato driver per MOSFET, con una polarizzazione tipica compresa tra 12 V e 15 V, per pilotare il GaN.
La tecnologia ICeGaN®, sviluppata da Cambridge GaN Devices (CGD), è un power IC che integra questa interfaccia sullo stesso substrato del transistor HEMT a modalità di arricchimento, invece di utilizzare un MOSFET al silicio separato in una configurazione cascode o un circuito integrato al silicio co-impacchettato. L’integrazione dell’interfaccia sullo stesso chip consente di ottenere un package ottimizzato e a basso profilo, con una bassa induttanza, elemento fondamentale per ridurre le perdite e aumentare l’efficienza del convertitore di potenza.
I dispositivi ICeGaN includono un HEMT con gate ausiliario che limita l’ingresso del gate esterno e fornisce una polarizzazione stabile al gate interno dell’HEMT principale a modalità di arricchimento. I dispositivi ICeGaN possono quindi essere pilotati con tensioni di gate comprese indicativamente tra 9 V e 20 V e sono in grado di tollerare in sicurezza tensioni transitorie più elevate. La tensione di soglia apparente (VTH) viene inoltre quasi raddoppiata, raggiungendo circa 3–4 V, con un miglioramento dell’immunità ai disturbi sul gate.
Nei dispositivi ICeGaN è integrato anche un clamp di Miller, che fornisce una forte azione di pull-down quando l’HEMT è spento. I progettisti non devono quindi applicare tensioni negative al gate per mantenere spento il dispositivo quando necessario. Il clamp di Miller amplia inoltre l’area operativa sicura (SOA) e aumenta l’affidabilità del gate, assorbendo pendenze di dV/dt più elevate. Ciò consente un funzionamento rapido senza richiedere ulteriori rail di tensione negativi. Il comportamento può essere regolato attraverso il valore della resistenza di gate di accensione, permettendo ai progettisti di controllare la velocità di commutazione all’accensione dell’ICeGaN in base alle esigenze specifiche dell’applicazione e di trovare il giusto equilibrio tra EMI e perdite di commutazione.
L’assorbimento dinamico di potenza delle GPU durante i carichi di lavoro per l’intelligenza artificiale provoca variazioni di carico ampie e rapide, che non possono essere trasferite direttamente alla rete in corrente alternata. Per evitarlo, ogni stadio della catena di conversione AC-DC deve gestire condizioni di carico transitorie e includere una capacità locale di accumulo energetico sufficiente a smorzare queste fluttuazioni di potenza.
Ciò significa che i componenti e il sistema termico devono essere dimensionati in funzione del carico di picco, non di quello medio. Il convertitore DC/DC a 800 V deve quindi poter fornire sovraccarichi di potenza di breve durata senza subire sollecitazioni eccessive o perdere la regolazione.
Il gate interno del Power HEMT inizia ad aumentare soltanto quando il gate esterno supera circa 1,5 V. Questa soglia aggiuntiva consente a ICeGaN di raggiungere una tensione di soglia superiore rispetto a quella dei dispositivi GaN discreti convenzionali a modalità di arricchimento, pari a 2,9 V.
Uno dei principali vantaggi dei dispositivi GaN HEMT è la capacità di commutazione, ottenuta grazie a una carica di gate molto bassa e all’assenza del diodo intrinseco. Di conseguenza, le perdite allo spegnimento sono praticamente nulle. Poiché il clamp di Miller spegne il dispositivo a 0 V, i dispositivi ICeGaN non sono soggetti alle elevate perdite di conduzione inversa che possono interessare altri componenti GaN.
Un aspetto ancora più importante riguarda il raffreddamento del dispositivo, che può essere migliorato in modo significativo collegandolo a massa. Ciò consente di utilizzare componenti più piccoli e di far funzionare il sistema a temperature inferiori.
Packaging
La riduzione della resistenza termica del package offre diversi vantaggi. A parità di RDS(on) è possibile fornire una potenza maggiore, mentre a parità di potenza i dispositivi funzionano a temperature più basse. Di conseguenza, si può utilizzare un dissipatore più piccolo e leggero, riducendo i costi del sistema. Temperature operative inferiori contribuiscono inoltre ad aumentare l’affidabilità e la durata dei dispositivi e consentono di ridurre le dimensioni degli alimentatori installati nei rack per l’intelligenza artificiale.
Il package BHDFN-9-1 (bottom heat-spreader DFN), sviluppato da CGD, è un package raffreddato dal lato inferiore, dotato di fianchi stagnabili che facilitano l’ispezione. Utilizza un lead frame più spesso per allontanare il calore e offre una resistenza termica di 0,28 K/W, pari o superiore a quella di altri dispositivi. Con dimensioni di 10 × 10 mm, il BHDFN è più piccolo del package TOLL comunemente utilizzato, ma ne condivide un’impronta simile, rendendone semplice l’impiego.
A differenza dei dispositivi GaN discreti, ICeGaN dispone di un pin aggiuntivo per alimentare la circuiteria interna, collegato al pin 1; il terminale di gate è sul pin 2, mentre il terminale Kelvin Source (KS) è sul pin 3. Nel package TOLL, invece, il terminale di gate si trova sul pin 1 e il terminale KS sul pin 2. È quindi possibile sviluppare facilmente un layout comune compatibile, spostando lateralmente un dispositivo TOLL per evitare il collegamento al terminale di alimentazione previsto nel layout ICeGaN. Questo offre la possibilità di ottenere una sostituzione quasi diretta di un dispositivo TOLL con un componente ICeGaN.
Progettare sistemi di conversione a 800 V con dispositivi GaN
Una topologia ampiamente utilizzata per l’alimentazione dei data center è il convertitore risonante half-bridge impilato, configurato con ingresso in serie e uscita in parallelo (ISOP). Questa configurazione consente di convertire ingressi a 800 VDC utilizzando dispositivi GaN da 650 V. I trasformatori planari e l’integrazione avanzata dei componenti magnetici sono fondamentali per ottenere stadi di potenza compatti e a basso profilo, necessari quando i moduli di conversione devono essere collocati vicino alle schede delle GPU e delle CPU.
Le reti di distribuzione della potenza a 800 V utilizzano già frequenze di commutazione comprese tra 500 e 800 kHz, con reference design destinati alle applicazioni con server per l’intelligenza artificiale. Con la più ampia diffusione della tecnologia GaN, si registra una forte spinta verso frequenze di 1 MHz e oltre, per aumentare ulteriormente la densità di potenza e ridurre le dimensioni dei componenti magnetici, a condizione di riuscire a mantenere l’efficienza e contenere le EMI a queste frequenze più elevate.
Sicurezza
La sicurezza è un aspetto centrale nelle architetture DC/DC a 800 VDC, che richiedono ulteriori accorgimenti progettuali.
A 800 VDC è necessario utilizzare un isolamento rinforzato, con distanze di isolamento in aria e superficiali superiori rispetto alle architetture con bus a tensione inferiore. I sistemi a ±400 VDC utilizzano una messa a terra ad alta resistenza o un punto mediano solido collegato alla terra di protezione e richiedono distanze superficiali inferiori rispetto ai sistemi a 800 V con configurazione single-ended.
Le funzioni di hot swap ed eFuse sono integrate di norma nello stadio a 800 VDC su una scheda di distribuzione della potenza, in modo da controllare il più vicino possibile all’alimentazione del rack i fenomeni di corrente di spunto, sovraccarico e isolamento dei guasti.
Anche i convertitori DC/DC a 800 V sono spesso implementati come stadi LLC ad anello aperto, con il controller sul lato secondario e un rilevamento limitato sul lato primario. Sono quindi necessarie ulteriori protezioni sul lato primario, come la protezione contro le sovratensioni e il rilevamento di condizioni anomale, per gestire in sicurezza i guasti in ingresso.
In caso di guasto, il progetto del convertitore DC/DC a 800 V deve garantire un rigoroso contenimento dell’energia associata all’avaria, affinché fumo, incendio o danni da bruciatura non si propaghino alle schede delle GPU o ad altri componenti del tray, preservando sia la continuità operativa del sistema sia l’integrità dell’hardware.
Un esempio reale
È stato realizzato un prototipo di modulo half-bridge da 3 kW, con conversione da 400 V a 50 V, basato su dispositivi CGD P2 con una resistenza allo stato attivo di 25 mΩ sul lato primario di un trasformatore planare. Il prototipo dimostra l’elevata densità di potenza e l’efficienza ottenibili utilizzando HEMT ICeGaN. Il modulo raggiunge un’efficienza di picco del 98,7% e un’efficienza del 97,5% a pieno carico.
L’architettura modulare consente di aumentare agevolmente la potenza collegando più moduli in parallelo, fino a livelli di 6 kW o 12 kW, per l’impiego in alimentatori DC/DC ad alta potenza. Tra i moduli interleaved è quindi possibile utilizzare il phase shedding per ottimizzare l’efficienza complessiva del sistema su un ampio intervallo di carico.
Conclusioni
I progettisti di alimentatori guardano con crescente interesse alla tecnologia GaN per le applicazioni nei data center. Quando si utilizzano dispositivi GaN convenzionali, tuttavia, può essere difficile ottenere prestazioni ottimali. La tensione negativa richiesta sul gate, per esempio, rende più complesso raggiungere le frequenze operative elevate che consentono di progettare convertitori di potenza più compatti.
L’aggiunta di un’interfaccia intelligente sullo stesso chip del dispositivo di potenza GaN offre invece diversi vantaggi ai progettisti di alimentatori per data center dedicati all’intelligenza artificiale, poiché riduce in modo significativo costi, dimensioni e peso degli alimentatori nelle reti di distribuzione a 800 V dei data center.
Riferimenti bibliografici
IEA (2026), Key Questions on Energy and AI, Agenzia internazionale dell’energia, Parigi.
