原标题：校准服务器设计功率的测试挑战

　　全球大流行加速了新兴半导体技术的采用以满足市场需求，这使得拥有卓越技术的公司能够超越竞争对手。超过 50% 的公司将需要建立新的数字业务以保持经济可行性，从大流行中恢复将涉及对组织的许多方面进行永久性改变，包括其开展业务的速度;其核心价值主张;和人才。

　　随着数字和技术驱动的颠覆在越来越多的行业中创造了赢家通吃的动态，只有一小部分组织可能会蓬勃发展。在当今竞争激烈的半导体市场中，顶级公司拥有不断发展的强大而广泛的技术组合，强大的技术基础对于成功至关重要。现在是这些公司对先进技术和数字能力进行大胆创新投资的时候了。

　　大流行对数字生态系统的影响

　　大流行扩大了对技术增长的需求，并鼓励了整个数字生态系统的创新，从大数据和人工智能 (AI) 到云计算和物联网 (IoT)。传统的实体零售公司已经采用技术来保持相关性并满足精通技术的消费者的需求。大数据促进了各个行业的数字化和电子商务的指数级增长。此外，由于几乎在全球范围内实施了旅行限制，在家工作变得无处不在，导致云游戏和高性能计算 (HPC) 即服务的采用率出现意外激增。

　　图1上图显示了服务器销售额的年复合增长率。资料来源：泰瑞达

　　到 2025 年，支持 AI 超大规模计算的服务器市场预计将同比增长 50%，而云游戏 CAGR 预计到 2025 年将以惊人的 72% 的速度增长。然而，超高性能系统的电源要求尤其具有挑战性，时钟频率高达每台服务器 10.2 千瓦。新兴的百亿亿次高性能计算机——每秒能够计算至少 10 18 IEEE 754 双精度运算的计算系统——以及用于精确会话 AI 等任务的万亿参数 AI 模型，即使具有今天的超级计算机。

　　图2在典型的服务器架构中，所有处理组件都需要用电。资料来源：泰瑞达

　　对计算能力的更高需求带来的电源管理挑战

　　随着计算能力的提高，每个裸片的晶体管数量也随之增加。尽管多年来工艺节点数量有所减少，但随着晶体管数量每 18 个月翻一番，芯片尺寸正在增加。因此，电源管理设备的板载空间减少以适应更大的处理器。因此，电流消耗的增加以及为处理器提供电流的硅基 MOSFET 的电路板开发面积的减少导致了一个有趣的电源管理挑战。

　　图 3上述数据突出了与当前要求和可用设计空间作斗争的情况。资料来源：泰瑞达

　　人工智能训练服务器等应用对更高功率处理器的需求永不满足，推动了 MOSFET 驱动器的大幅增长。为了尽可能降低热量产生并最大限度地提高能源效率，这些设备采用低 RDS ON设计，可为它们供电的处理器提供数百安培的电流。然而，具有极低 RDS ON测量值小于 1 mΩ 的大容量 MOSFET 驱动器给半导体测试带来了挑战。

　　实现精确测量的测试挑战

　　在最终应用中安装之前测试半导体对于确保设备在其使用寿命内满足特定要求至关重要。维持有竞争力的测试成本 (COT)，同时提供完整的测试覆盖范围，需要精密的大功率仪器来准确高效地运行。

　　测量 MOSFET 驱动器上 1 mΩ 栅极电阻上的精确电压需要数十安培的电流流过。来自自动测试设备 (ATE) 的高带宽、精密和功率仪器可以有效地准确测量 RDS ON电阻。然而，来自器件接口板 (DIB) 的寄生电阻和器件测试插座的接触电阻(可测量高达 MOSFET 驱动器 RDS ON的 50 倍)推动了保持测试单元最佳利用率的边界。

　　此外，高电流脉冲会导致磁耦合到相邻迹线中，从而影响高并行度解决方案中相邻位置的测量值。不幸的是，在处理电流感应磁耦合时，屏蔽或紧密耦合大电流走线的行业实践是不可行的。为了应对这一挑战，大电流走线必须布置为宽边差分对，以优化磁场抵消。通过高接触电阻的脉冲大电流会产生过多的热量并随着时间的推移损坏接触针。

　　通过精心设计支持应用校准以消除路径和接触电阻的板载电路，可以实现对器件的精确 RDS ON测量。板载电路具有辅助功能，以确保部署的所有仪器的安全运行。通过理想的测试环境保持高设备效率，可以实现最佳吞吐量。

　　具有更高带宽的新型功率仪器与创新的测试技术相结合，有助于通过缩短脉冲宽度并在每次测试执行前结合超高效的接触电阻检查来延长触针寿命。增加功率仪器的带宽可提供更快的 DI/DT，从而缩短测试时间并增加站点数量的可能性，从而提高整体吞吐量。延长触针寿命也降低了消耗品的费用。

　　使用 GaN 等新材料提高能源效率

　　随着深度学习人工智能变得越来越普遍，对计算能力的永不满足的需求将随之而来，支持电源管理半导体将经历强劲增长。与此同时，数据中心的碳足迹正受到关注，监管政策正在制定以确保数据中心配备节能设备。2019 年，数据中心消耗了全球约 2% 的电力，但预计到 2030 年这一数字将上升到 8%。

　　MOSFET 的效率通常最高可达 95%。为了满足数据中心不断增长的能源消耗，正在开发氮化镓 (GaN) 等新材料和工艺，以解决传统半导体材料的缺点。凭借更高的效率和开关频率，GaN 电源提供的功率比其基于硅的前代产品具有相似的占位面积。“涡轮增压”GaN 电源在类似的占位面积上提供更高的功率，可以将现有机架上的整体服务器密度提高多达 56%。

　　图4上表比较了硅和氮化镓的材料特性。资料来源：泰瑞达

　　与硅基电源相比，氮化镓电源具有三个优势。首先，现有数据中心可以增加其数据密度。其次，更高效的电源转化为更低的运营成本。最后，数据中心可以减少其 CO 2排放，作为到 2050 年实现净零排放的全球目标的一部分。

　　GaN 晶体管的主要行业挑战是高动态导通电阻，在所需的高频下切换时难以测量。顶级测试设备制造商正在努力开发保证 GaN RDS ON规格所需的精密仪器。很快，GaN 将取代硅成为提供功率的首选材料技术，但在 GaN 的硬开关动态导通电阻可以持续准确地测量之前，将继续使用基于硅的处理器。

　　随着对通常作为服务交付的高性能计算应用程序的需求增加，半导体公司必须迎接挑战，通过采用新技术和工艺来保持竞争力。电源管理和 GaN 等新材料的进步将确保该技术能够跟上驱动它的应用。然而，这些新技术带来了制造和测试方面的许多挑战。那些能够灵活适应的企业将在这些新兴市场中获得成功。

　　Aik-Moh Ng 是泰瑞达模拟功率测试产品的产品经理。

　　Lauren Getz 是泰瑞达模拟功率测试产品的产品经理。