【導(dǎo)讀】云端 AI 正以前所未有的速度重新定義計算。隨著全球最大的科技公司競相構(gòu)建大規(guī)模 AI，數(shù)據(jù)中心正從軟件和芯片，到電源架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及信息傳輸?shù)幕疚锢矸绞?，被從底層重新?gòu)想。向加速型工作負(fù)載的轉(zhuǎn)變是一場結(jié)構(gòu)性變革，它要求全新一代基礎(chǔ)設(shè)施。
無論是模型訓(xùn)練還是推理集群，其背后都有一個根本問題：當(dāng)規(guī)模從千瓦級擴(kuò)展到兆瓦級，再到吉瓦級時，如何提供足夠的電力、傳輸足夠多的數(shù)據(jù)，并保持效率和可靠性？ST 并不設(shè)計 GPU 或 AI 模型。但我們在回答這個問題時發(fā)揮著決定性作用——通過提供實現(xiàn) AI 工廠所需的半導(dǎo)體技術(shù)，以先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換、高速連接和集成光互連，將電網(wǎng)與核心連接起來。
面臨壓力的數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)給出了挑戰(zhàn)的規(guī)模。全球數(shù)據(jù)中心容量預(yù)計將從 2025 年約 103 GW 幾乎翻倍，到 2030 年達(dá)到 200 GW，而到2030年前，年度基礎(chǔ)設(shè)施支出預(yù)計將超過 1 萬億美元。幾年前，一個高性能服務(wù)器機(jī)架的功耗約為 10 到 15 kW，相當(dāng)于幾臺家用烤箱的負(fù)載。而在 AI 時代，運營商正在為每個機(jī)架規(guī)劃 500 kW 甚至超過 1 MW 的功耗，相當(dāng)于足以為數(shù)百戶家庭供電。與此同時，加速器之間的數(shù)據(jù)流量也在同比增長，因為訓(xùn)練和運行大模型需要每秒在芯片之間傳輸數(shù)十億個數(shù)據(jù)點。
傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施并非為此而建。銅互連曾是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的骨干，但在現(xiàn)代 AI 集群所需的速度、傳輸距離和每比特能耗方面，越來越無法滿足要求。傳統(tǒng)電源架構(gòu)在兆瓦級密度下也難以兼顧效率、散熱和物理占用空間。結(jié)果就是成本上升、復(fù)雜性增加，整個行業(yè)迫切需要重新思考數(shù)據(jù)中心的供電與連接方式。
從銅到光：硅光子技術(shù)在 AI 互連中的應(yīng)用
大型 AI 集群的通信需求，使傳統(tǒng)基于銅的網(wǎng)絡(luò)在規(guī)?；瘧?yīng)用中變得不可持續(xù)。銅鏈路在高速下以及跨機(jī)架、跨機(jī)列所需距離下，會面臨衰減和串?dāng)_問題。同時，每比特功耗也過高，而這一點在單個訓(xùn)練集群可能包含數(shù)以萬計的加速器、且所有加速器持續(xù)交換數(shù)據(jù)時，會變得至關(guān)重要。
光互連正在成為云端 AI 網(wǎng)絡(luò)的骨干。光可以以更低損耗、更長距離、并以更高能效傳輸更多數(shù)據(jù)。對于 AI 訓(xùn)練和推理工作負(fù)載而言，作業(yè)完成時間和集群利用率直接取決于互連性能，因此這一轉(zhuǎn)變具有變革性意義。
ST 深度投資硅光子技術(shù)，以推動這一轉(zhuǎn)變。PIC100 硅光子平臺為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和跨數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供高速、低損耗的光鏈路。該平臺采用 300 mm 晶圓制造，且已在領(lǐng)先超大規(guī)模云服務(wù)商中實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，為 AI 部署中的光網(wǎng)絡(luò)提供了成熟、可擴(kuò)展的路徑。該平臺的產(chǎn)能預(yù)計到 2027 年將翻四倍，并進(jìn)一步擴(kuò)張，這反映了云服務(wù)商向 “光優(yōu)先” 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型的速度。這一快速擴(kuò)張完全得益于客戶長期產(chǎn)能預(yù)留承諾的支撐。
光子集成電路與定制電子器件相結(jié)合，形成適配多種部署模式的光引擎：傳統(tǒng)可插拔模塊、靠近交換機(jī)或加速器 ASIC 的近封裝光學(xué)，以及電光集成最深的共封裝光學(xué)。ST 正在開發(fā) PIC100 TSV，這是一種可提高連接密度并改善模塊和系統(tǒng)級熱性能的架構(gòu)，面向未來將定義下一代 AI 交換機(jī)和加速器封裝的近封裝和共封裝光學(xué)部署。行業(yè)預(yù)測顯示，到 2030 年，硅光子在 AI 集群中使用的所有光學(xué)技術(shù)中所占比例將從約三分之一提升至近三分之二。ST 正在布局這一增長的核心位置。
電與光邊緣的智能控制
隨著 AI 集群向光互連演進(jìn)，它們還需要一個智能控制層來實時配置、監(jiān)測并保護(hù)這些系統(tǒng)。先進(jìn)的電源鏈路和光網(wǎng)絡(luò)的可靠性，取決于管理它們的智能程度。光纖無法自行監(jiān)測信號完整性；電源系統(tǒng)也不會在數(shù)千個模塊之間自動優(yōu)化。微控制器和混合信號 IC 提供了讓大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施可靠運行的控制層。
在光模塊內(nèi)部，STM32 高性能微控制器充當(dāng)本地協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)配置激光器和探測器、測量溫度和電壓、向主機(jī)系統(tǒng)提供遙測數(shù)據(jù)，并使模塊能夠?qū)崟r適應(yīng)變化、保護(hù)自身免受性能退化影響。基于 ST 的 BiCMOS B55X 工藝技術(shù)構(gòu)建的高速電子器件與光波導(dǎo)并列工作，在每通道 100 Gbps、200 Gbps 乃至更高速率下驅(qū)動激光器并放大接收信號，同時保持足夠高的能效，以適應(yīng)散熱受限的 AI 機(jī)架部署環(huán)境。
在電力路徑中，智能控制器協(xié)調(diào)各級轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)保護(hù)機(jī)制，并在不同工作條件下優(yōu)化負(fù)載分配。在整個超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，數(shù)以千計的這類器件共同提供了云端 AI 基礎(chǔ)設(shè)施所需的可視化和控制能力，而運營商也越來越離不開這種能力。
從電網(wǎng)到核心
ST 提供為 AI 數(shù)據(jù)中心供電、散熱和互連所需的關(guān)鍵半導(dǎo)體，支持從電網(wǎng)到核心、再到用戶的完整鏈路，覆蓋云端 AI 產(chǎn)業(yè)鏈中的每一個主要節(jié)點：
電網(wǎng) → 固態(tài)變壓器 → 800 VDC 配電 → 電源機(jī)架 → 核心電源級 → xPU/GPU → 光網(wǎng)絡(luò)
在每一個環(huán)節(jié)，ST 都提供具體且差異化的技術(shù)： 利用寬禁帶功率器件和高效率轉(zhuǎn)換器，將能量從電網(wǎng)高效送至核心； 利用硅光子、BiCMOS 電子器件和集成光引擎，以更低功耗實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸； 利用微控制器和混合信號 IC，對這些系統(tǒng)進(jìn)行實時管理、監(jiān)測和編排。
為 AI 工廠供電：SiC、GaN 與 800 VDC
AI 工作負(fù)載正在從根本上改變數(shù)據(jù)中心的電力需求特征。Goldman Sachs 估計，到 2030 年，數(shù)據(jù)中心總功耗需求將比 2023 年增長約 165%。為了高效滿足這一需求，運營商正在從傳統(tǒng)交流配電和低壓直流方案轉(zhuǎn)向高壓直流拓?fù)?，?800 VDC 配電正在成為下一代 AI 園區(qū)的首選架構(gòu)。
ST 的電源技術(shù)正是為這一現(xiàn)實而設(shè)計。碳化硅器件適用于前端的高壓、高效率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：電網(wǎng)接口、固態(tài)變壓器和 HVDC 配電。氮化鎵則負(fù)責(zé)更靠近負(fù)載的位置，在這里，高頻、緊湊的轉(zhuǎn)換使得密集電源架和面向 GPU、CPU 以及定制加速器的負(fù)載點穩(wěn)壓器成為可能。先進(jìn)控制器和低壓器件則協(xié)調(diào)從 800 V 下降到 50 V、12 V、6 V 及更低電壓的完整供電路徑，而現(xiàn)代芯片正是在這些電壓下運行。
ST 與包括 NVIDIA 在內(nèi)的合作伙伴共同開發(fā)了一整套 800 VDC 電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，并與 NVIDIA 面向下一代 AI 數(shù)據(jù)中心的參考設(shè)計保持一致。通過減少轉(zhuǎn)換級數(shù)和銅材使用，并優(yōu)化整條鏈路的效率，這些解決方案幫助超大規(guī)模云服務(wù)商在相同物理空間內(nèi)向更多加速器提供更多可用電力，將 1 MW 機(jī)架從工程挑戰(zhàn)變?yōu)榭蛇\營現(xiàn)實。
與超大規(guī)模云服務(wù)商協(xié)同構(gòu)建
云端 AI 是一個生態(tài)系統(tǒng)。ST 與 Amazon Web Services 的達(dá)成了多年合作，ST 提供先進(jìn)連接 IC、混合信號器件、微控制器以及模擬和電源 IC，并將它們直接集成到 AWS 的計算基礎(chǔ)設(shè)施中。這是一種深度、長期合作的典范。ST 在高壓直流電源架構(gòu)方面的工作遵循同樣邏輯。通過共同創(chuàng)建參考設(shè)計和經(jīng)過驗證的 800 VDC 配電與轉(zhuǎn)換方案，ST 正在幫助整個行業(yè)加速采用高效、可擴(kuò)展的電源拓?fù)洹粌H服務(wù)于單一客戶，也為整個生態(tài)系統(tǒng)未來的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
除了這些核心合作伙伴之外，ST 工程師還與原始設(shè)計制造商、模塊供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)合作，幫助定義這些基礎(chǔ)構(gòu)件在大規(guī)模部署時所遵循的標(biāo)準(zhǔn)和實施實踐。
擴(kuò)大制造引擎能力
只有當(dāng)技術(shù)能夠大規(guī)模交付時，技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力才真正有價值。隨著 AI 能力在各地區(qū)快速擴(kuò)張，ST 的制造布局正圍繞超大規(guī)模云服務(wù)商所需的規(guī)模、韌性和地理接近性而設(shè)計。
在意大利，高產(chǎn)能的 200 mm 碳化硅生產(chǎn)線供應(yīng)先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換核心環(huán)節(jié)所需的高壓、高效率器件。 在法國，我們的 300 mm 晶圓廠生產(chǎn)數(shù)字、混合信號以及硅光子技術(shù)，包括 PIC100 平臺——并承諾到 2027 年將光子產(chǎn)能提升四倍。 在中國，與三安光電的合資企業(yè)提供 200 mm SiC 器件制造，保障了全球增長最快的數(shù)據(jù)中心市場之一的本地供應(yīng)。
這種分布式模式確保了隨著云端 AI 在全球范圍加速部署，關(guān)鍵組件——SiC 和 GaN 功率器件、光子 IC、BiCMOS 驅(qū)動器、微控制器——能夠在需要的時間和地點及時獲得。
一場長期的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變
AI 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在改變計算交付方式和價值創(chuàng)造方式，這是一場結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)中心正從兆瓦級走向吉瓦級，從交流走向高壓直流，從銅互連走向光互連。每一個轉(zhuǎn)折點都直接對應(yīng) ST 在連接、電源和控制方面的核心競爭力。
隨著云端 AI 部署的規(guī)?；七M(jìn)，這一領(lǐng)域預(yù)計將成為 ST 的重要增長引擎，云 AI 基礎(chǔ)設(shè)施收入目前預(yù)計在 2026 年達(dá)到約 10 億美元，并且假設(shè)當(dāng)前趨勢持續(xù)、且結(jié)合我們現(xiàn)有合作進(jìn)展，2027 年收入有可能翻倍。但在財務(wù)軌跡之外，其意義更在于結(jié)構(gòu)性：ST 正在幫助構(gòu)建數(shù)字世界的新一層關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。
強(qiáng)大的 GPU 和復(fù)雜的 AI 模型也許會吸引頭條，但它們的性能以及所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價值，取決于一個不那么顯眼的基礎(chǔ)層——光互連、電源轉(zhuǎn)換和實時控制。
ST 正在系統(tǒng)性地構(gòu)建這一基礎(chǔ)，從電網(wǎng)到核心，為下一代 AI 工廠能夠以世界對智能的需求所要求的效率、密度和規(guī)模運行奠定基礎(chǔ)。
