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织就数字化世界,服务器电源行业正当时

2021-12-07 11:52
大比特资讯
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  【哔哥哔特导读】数字时代,服务器电源的需求量水涨船高,服务器电源企业与磁性元器件企业又将面临哪些新挑战?

  编者按:5G时代下,信息数据爆炸增长,越来越多的数据中心应运而生。市场调研机构Synergy Research的最新数据显示,截至2021年第二季度末,大型数据中心总数增加到659个。

  得益于数据中心的快速增长,织就成一个数字化世界,服务器需求量也水涨船高。根据IDC《2021年第二季度中国服务器市场跟踪报告》显示,上半年中国服务器市场出货量为170.6 万台,同比增长8.9%;市场规模为108.1亿美元。企查查数据显示,我国现存服务器相关企业6.06万家。2019年新增7135家,同比增长20.89%。2020年新增7242家,同比增长1.50%。服务器企业近年来数量增长明显也从侧面反映出服务器行业处在高速发展时期。

  服务器行业的发展离不开服务器电源。那么,在5G时代下,服务器电源在性能上有何提高?进而对磁性材料、磁性元器件提出哪方面的要求呢?服务器电源未来发展方向如何?随着第三代半导体材料的发展,氮化镓未来会普遍应用在服务器电源上吗?

  带着这些问题,本期《磁性元件与电源》下设《对话》栏目,我们邀请了国内多家服务器电源领域知名电源企业、磁性元器件企业、磁性材料企业代表,围绕上述问题进行探讨,为深耕这一行业的从业者进一步了解服务器电源行业生态提供力所能及的点拨。

  对话导览:

  5G时代下,服务器电源的性能变化?对磁性材料、磁性元器件有何更高要求?

  针对上述服务器电源企业提出高频化要求,磁性元器件企业能否满足?

  小型化已成为磁性元器件未来发展趋势,磁性元器件企业如何满足?

  企业如何加强磁性材料的质量管控?是否有在加大投入研发新型磁性材料?

  服务器电源技术难点与未来发展方向?

  磁性元器件企业是否有往自动化、数字化方向转型?

  磁性元器件企业可通过哪些措施更好地保证在交期内完成生产?

  对话嘉宾:

  

织就数字化世界,服务器电源行业正当时


  您认为服务器电源市场发展情况如何?

  中国长城王永安:服务器电源市场处在上升时期,并且服务器电源的业务量增长比较明显。我们一般是生产不同功率频段的固定的电源模块,然后客户再根据他们的需要进行组合。一般来说,磁性元器件所需成本价值大概为电源总体成本的8%。

  服务器电源企业段经理:我们公司在服务器电源模块做了很长时间的技术储备,目前已实现向国内外市场批量出货。大数据时代已开启,市场对服务器电源的需求也在逐年增长。我们认为数据中心建设也属于国家新基建范畴之内,接下来几年对服务器电源的市场需求依然会旺盛。除了国内市场增长,就我们接触的客户来看,海外的订单量也很多,所以我们也很看好服务器电源市场的发展。

  美磁马征:随着5G基站、数据中心等基础设施的建设,近年来服务器电源的需求量增长很快,我们公司生产的许多小尺寸磁性元器件都有应用在服务器电源领域,业务增长明显。

  金刚磁业刘峰:如今数字存储量的需求越来越大,也要求信息传输的速度越来越快。在给我们带来广阔的市场同时,也对磁性材料、磁性元器件、服务器电源提出更高的性能要求。

  服务器电源的功率区间?每个电源模块中所使用磁性元器件的情况?

  康舒电子王凤尾:现在的服务器电源大中小频段都有,因此会根据不同的功率频率生产电源模块,其中应用在云服务器中的电源模块大多在300-1200W这一区间。单个电源模块大概需要用到4个电子变压器,5-6颗电感,电源模块中磁性元器件总体成本能达到一两百元,因此我们也会比较关注磁性元器件控制成本这块的问题。

  台达张会常:服务器电源功率区间从300-3000W都有。并没有说有特定的标准瓦数,更多是根据客户的需求来生产符合他们功率频段电源模块。就单个电源模块来讲,会用到共模电感、差模电感、PFC电感、滤波电感、隔离功率变压器等多种类型的磁性元器件,大概有8-10颗。

  服务器电源企业段经理:中小功率段的服务器电源大多在350W-1000W,从单个电源模块来说,磁性元器件的成本占比能达到10%-13%。

  5G时代下,云服务器电源的性能变化?对磁性材料、磁性元器件有何更高要求?

  康舒电子王凤尾:由于服务器电源的频率越来越高,因此我们会更多选择高频率、低损耗的磁性材料、磁性元器件。

  从磁性元器件生产工艺来看,电子变压器基本使用PCB板加铁氧体磁芯的结构取代传统的绕线焊锡,即更多地选用平板变压器。其次,现在已经是大数据下的工业4.0,电子制造行业许多人工都逐渐被设备取代。比如说传统变压器需要一百多人来生产,现在只需要8-10个人来作业,就能有将近20k的产能。所以我们要会要求我们的磁性元器件供应商往自动化、数字化方向发展。

  中国长城王永安:磁性元器件要走向高频化,最重要的是磁性材料实现技术性突破。今年,我们推出了新型磁性材料,既能满足服务器电源的需求,也能满足 5G基站、新能源、智能家居、光储充等各领域对磁性材料高频低损耗的需求,在一两个月前刚完成了实验工作,正准备推向市场。

  服务器电源企业段经理:对比4G来说,5G时代下的服务器电源,最主要的特点就是高功率密度,要求体积小、功率大、效率高。为了实现这些性能需要,一方面是要把磁性元器件进行集成化设计,如功率变压器与功率电感、CT等集成。另一方面,应用新的磁性材料结构及材质,如磁芯结构进行散热孔设计,使用改良型95材、甚至96材等。

  台达张会常:今年我们公司根据客户的需要,首次在电源模块中运用了氮化镓,大大提高云服务器电源的工作频率。但是这也需要我们的磁性材料、磁性元器件去做相关的配合。磁性元器件中,以电子变压器为例,其工作频率会提高到100khz左右,这也是目前常规磁性元器件能达到的最佳工作频率。不过未来,还是会继续往高频化方向发展。

  

织就数字化世界,服务器电源行业正当时


  针对上述云服务器电源企业提出高频化要求,磁性元器件企业能否满足?

  海光电子欧阳顺昌:常规的磁性元器件都能达到100khz及以上。我认为氮化镓未来确实有可能会应用在云服务电源上面。其实现在已经有部分材料能达到1兆赫兹频率,只是尚未能大规模生产,但从技术层面来看,不成问题。

  可立克王欢:不管是变压器还是电感器,现在都能达到100khz。高频化是未来磁性元器件的发展方向。如今碳化硅已经普遍使用在各种终端领域,而氮化镓未来也很可能会应用在服务器电源中,预计到时能达到500khz。若要达到1兆,磁性元器件与磁性材料都会有相应的提升。

  经纬达汪洪伟:目前平面变压器的应用范围 100kHz~1MHz,目前已经可以设计和量产500kHz的平面变压器。我们对500kHz~1MHz的平面变压器的叠层结构以及磁材的应用有做技术研究。平面变压器能够满足当前以及未来10年内的设计以及应用。采用不同的磁集成技术来提升功率密度。GaN是未来提升功率的方向配合平面变压器做服务器可以有效的提高功率密度。

  航嘉驰源肖经理:我们建设了专门的磁性元器件性能检测团队。磁性元器件除了高频以外,更要做到小体积,使得电源模块有限空间或是体积不变的情况下满足大电流的需求。磁性元器件企业如何满足?

  海光电子欧阳顺昌:小型化已经是磁性元器件行业发展的大趋势,不止是服务器电源,许多电源企业与终端客户都会有小型化的要求。因此我们现在几乎所有的磁性元器件,在设计时就会往扁平化的方向走,如平板变压器等也会更多的用到服务器电源上面。

  可立克王欢:实际上现在我们推出的磁性元器件在体积上大多已经实现扁平化,同时做到高功率密度与大电流。这主要归功于我们对磁性元器件进行重新的结构设计,推出更适应小型化趋势的产品,如平面变压器等。此外,针对服务器电源,我们也会选用一些新型材料,从而缩小产品体积。

  经纬达汪洪伟:平面变压器以及磁集成技术磁器件的应用可以有效的降低磁性元器件的体积。

  康舒电子王凤尾:我们一直很注重磁性材料的的质量管控,如磁芯暗裂问题。后续随着服务器电源的发展,现有磁性材料很可能被更高功率,更小损耗的新型材料替代。(企业如何加强磁性材料的质量管控?是否有在加大投入研发新型磁性材料?)

  可立克王欢:针对磁性材料的质量管控问题,我们会进行可靠性验证。比如在点胶这一生产环节中,我们会控制其点胶量、点胶时间等,经过反复的实验,调试出合适的参数再进行大规模的生产。对生产出来的产品还会有进一步的检测。通过前期后期的多次实验与检测,来提高产品生产的质量。针对服务器电源,目前我们正在研发一种耐高温,且体积更小、饱和磁通密度更高的铁氧体材料。

  台达张会常:我们公司正在研发服务器电源用的新型磁性材料。像之前常用的95、96材已经慢慢不能满足高频化的需求了,后面会开发更高频的材料。

  海光电子欧阳顺昌:磁芯暗裂是较为常见的磁芯问题。我们对这方面的质量问题也很关注,因此在供应商提供的时候,我们也会用检测设备进行实验与检测,符合质量要求才会进一步使用。

  中国长城王永安:今年在磁性材料上有了突破性的技术进展,并在一两个月前完成了实验认证。这款最新推出的磁性材料具有工作频率高的突出优势,顺应了当前服务器电源高频化的发展趋势,此外还能应用在各个电子终端领域。如今一些电源模块会采用氮化镓,虽然号称频率能达到一兆赫兹,但实际应用却未能达到,其原因就在于使用的磁性材料并不匹配,从而降低了氮化镓的效能。而这款新型磁性材料能适应氮化镓的使用频率,即当氮化镓工作频率达到1兆赫兹时,整个电源模块也能实现1兆赫兹的工作频率,发挥出氮化镓的最大效能。

  金刚磁业刘峰:磁芯暗裂是目前行业内一个比较常见的瓶颈隐患。因此,我们一般从烧结工艺以及成型设备上进行优化升级。然而,受当前技术限制,仍无法避免烧结或是成型过程中产生开裂的情况,这就需要我们在后段进行外观甄选。我们公司能通过CCD外观检测设备进行自动分选,以保证提供给客户的都是高质量高性能的产品。

  

织就数字化世界,服务器电源行业正当时


  服务器电源技术难点与未来发展方向?

  康舒电子王凤尾:我们已深耕服务器电源领域多年,而且也非常注重研发,基本上这一领域的技术难点已经全部攻克,能满足市面上服务器的需求。在未来,我们会根据5G的特点还有氮化镓技术的发展,做好相应的技术储备,研发或选用新型磁性材料,提升设计能力与生产工艺。我们也希望,上游的磁性材料企业、磁性元器件企业能跟随我们未来发展的方向,继续往自动化、数字化、智能化方向发展。

  台达张会常:传统的技术难点我们都已经攻克。但技术是日新月异的东西,没有尽头。比如今年电源模块尝试了用氮化镓的方案,因此会有新的技术难点出现。客户的要求不仅是高频化,更要高Bs值、小型化。保持高频的同时不能磁饱和,这对磁性材料、磁性元器件都是新的技术挑战。

  根据客户目前追求方向来看,服务器电源与磁性元器件未来会往高频化小型化以及成本控制的方向去走。其次,氮化镓等第三代半导体材料的应用可能也会越来越多。不过高频化后,温度会提高,因此在散热这方面就要采取新策略。目前来看,只有客户在设计以及空间要求相对严苛的时候我们才会用到氮化镓,因此更多是定制化生产。后续成本下降之后才会逐渐量产。

  台达张会常:我们在选择磁性元器件企业的时候会考虑多方面的情况,其中产品品质是我们最关注的。为了产品品质的稳定性,我们会更多选用自动化生产水平高的磁性元器件企业。(企业是否有往自动化、数字化方向转型?)

  金刚磁业刘峰:如今我们公司无论是从前段的成型到烧结到后段的加工,基本都能实现自动化。并且近两年已经积极往数字化方向转型。

  可立克王欢:在磁性元器件早期设计阶段,我们就会考虑到后期自动化生产的需要去进行设计。且近两年我们也引入一些新的生产工艺,更好适应磁性元器件自动化生产的需求,大大提高了自动化生产水平。

  康舒电子王凤尾:我们会重视磁性元器件企业能否按时交付这一问题。为此希望磁性元器件企业能提高产能,并能有一定的库存量。(磁性元器件企业可通过哪些措施更好地保证在交期内完成生产?)

  可立克王欢:首先,我们会根据往年的经验以及客户的需求对不同的产品进行提前备料。其次,虽然我们本身产能足以应对客户提出的交付时间,但可能会受上游供应商的影响被迫延迟,因此我们会扩大我们现有供应商的选择,增加备选的供应商,以保持货源的稳定,减少被迫延长交期情况的出现。

  金刚磁业刘峰:首先,我们会先跟客户明确他们的需求讯息,把握我们的生产方向和生产节奏。其二,我们会有适当的备料。只是今年受原材料涨价的影响,在备料方面我们会更为谨慎。其三,我们会根据市场的需求适当的增产扩产。不过以目前的行情来看,我们的生产产能还有一部分空余,因此都能满足及时交付的要求。

  服务器电源企业段经理:磁性元器件是电源模块构成的关键,因此控制磁性元器件的设计成本成了重中之重。(企业如何更好降低成本,将企业利益最大化?)

  金刚磁业刘峰:今年受国家政策与贸易环境影响,原材料上涨,给企业带来很大的成本压力。为此,主要有两个方向去控制我们的成本。一方面,可以提高我们产品品质与合格率,减少损失。另一方面,提高生产效率,缩短生产周期。而要做到这一点,就需要去提高我们的自动化生产水平。

  可立克王欢:一般来说,电阻、电容价格相对稳定,而磁性元器件定制化生产较多,在价格上有较大的浮动空间。为了更好控制成本,我们在磁性元器件的前端设计时就会考虑到后期自动化生产,从而提高自动化生产水平。再次,还可通过提高产品良率减少损失的成本。针对前端的关键工艺,如焊锡这一流程,近两年我们通过电阻焊加热的方法去焊接,替代原有的锡条焊接,不仅产品良率相比以往有了很大的提升,而且减少了污染物的产生,顺应当今绿色生产的趋势。

  经纬达汪洪伟:配合客户提升电源频率,有效的利用磁集成技术,降低磁材的使用量。从设计上尽量减少材料的使用量,优化设计降低磁性元器件的工时,提升生产效率。

  

织就数字化世界,服务器电源行业正当时


  结语:

  5G时代数据中心数量的增长,带动服务器行业的发展,也给服务器电源企业、磁性元器件企业、磁性材料企业带来广阔的市场发展空间。

  大比特产业研究室报告显示,市面主流X86服务器中,每个电源模块中平均有6颗定制化电感和4颗电子变压器,电路板中还有近50颗磁性元器件。且目前市场上的服务器以配有2个电源、4个电源的模式占据主导,取平均值以每台服务器配有3个电源计算,一个服务器里面大概有80-100颗磁性元器件。由此推算,2021年全球X86服务器里将有10-12亿颗磁性元器件的需求,到2025年将有17-19亿颗磁性元器件需求。

  然而,要在这一市场中分得一杯羹,也并非易事。尤其近两年,在新基建需求爆发和疫情导致供应受阻双重影响下,磁性元器件企业有时会出现无法及时供应的情况,这也成为如今服务器电源在选择企业时重要的考察方式。为能及时交付,企业可从以下四个方面来满足客户需求:一是要明确客户所需,包括具体的订单量和最终交付时间;二是对原料进行适当备货;三是扩大上游供应商选择,分散风险,保证上游企业能提供足够的供货量;四是有规划地进行扩产增产。

  从对话嘉宾的分享中我们得知,随着服务器电源的发展,对磁性材料、磁性元器件提出了更高频化、小型化的要求。为此,磁性材料企业、磁性元器件企业也选择积极应战,不断加大投入研发新型磁性材料,通过结构上的重新设计缩小体积,在满足当前100khz的常规要求下,仍继续往高频化方向进行突破。

  此外,今年已有部分服务器电源企业实现将氮化镓材料应用于电源模块中。谈及未来的发展方向,大部分磁性元器件企业、服务器电源企业都认为,随着第三代半导体材料的发展,氮化镓材料的应用领域将更为广泛,在服务器电源中的应用也会更加深入。为此,不少企业跟记者透露,公司目前已经在做相关的技术储备,来应对这一趋势。

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