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2026年10月19日 星期一

800V 直流固態斷路器原理|沒有過零點,AI 機櫃短路為何要在微秒內切斷


重點先講:我們在 SST 影片裡講過「寧願掉一點效率,也要換來保護能力」。上週 OCP 全球峰會(10/12–15)期間,800V 直流機櫃的焦點從「怎麼把電送進去」轉到「出事時怎麼把電切掉」。下面拆四件事:直流為什麼難斷、微秒和毫秒差多少、固態斷路器的導通損耗帳,以及它還不能完全取代機械開關的原因。廠商資訊來自新聞稿與訪談,電流與損耗數字是我的算術示意,不是實測。

發生了什麼

  • 10/12 Power Integrations × Ideal Power:合作開發 800 VDC 固態斷路器,用 1700V GaN 的 InnoMux-2 直接從 800V 母線取電、供給閘極驅動與感測電路,主開關是 Ideal Power 的雙向 B-TRAN。已有可運作原型,參考設計開發中。
  • 10/12 Infineon XDP8HD40S-1:給 ±400V/800V AI 伺服器的數位熱插拔控制器,內建數位 SOA(安全工作區)控制、可驅動 SiC MOSFET+JFET 疊接開關、PMBus 遙測與故障黑盒子紀錄,樣品排在 2027 年第二季。
  • NVIDIA 800 VDC 白皮書第二版:第一批量產系統以塑殼斷路器(MCCB)為主,清除時間最長可能約 20 ms;SSCB 先鎖定 125A 氣冷與 1250A(可能要液冷)兩種規格。

為什麼直流比較難斷?交流電 60 Hz 每 8.3 毫秒(50 Hz 是 10 毫秒)電流就會自然經過一次零點,機械開關只要在零點附近把觸點拉開,電弧就容易熄滅。直流沒有過零點,電弧可以一直燒下去,機械斷路器得靠滅弧室把電弧電壓撐到比系統電壓還高,才能硬把電流壓下來,所以又慢又傷觸點。

工程重點 1:短線路+高電壓=電流瞬間暴衝

AI 機櫃為了省銅、少損耗,電纜盡量短,線路電感很小。短路電流的上升速度大約是 di/dt ≈ V/L。假設迴路電感 1 µH、電阻 5 mΩ(示意值),800V 短路時電流每微秒爬升約 800 A:5 µs 時約 4 kA,若放任 1 毫秒,理論上會衝到接近 160 kA。Infineon 系統架構師 Bernacchia 的說法一樣直白:客戶要求微秒級反應,因為等到毫秒級,電流會到數十萬安培等級,「然後所有東西都毀了」。實際系統會靠電源端的限流與快速關斷壓低故障電流,這也是 NVIDIA 白皮書要求 SST 與整流器具備快速關斷的原因。

工程重點 2:固態斷路器永遠「在路上」,導通損耗要算

機械斷路器的金屬觸點平常幾乎不吃電,固態斷路器則是半導體一直串在主電路上,損耗是 I²R。以 NVIDIA 鎖定的規格算:125A、800V 約 100 kW,開關導通電阻 2 mΩ 時損耗約 31 W,佔 0.03%,還好;到 1250A(約 1 MW),就算只有 1 mΩ 也是 1.56 kW 的熱,集中在一個小盒子裡,這就是 1250A 版本「可能要液冷」的原因。想把損耗壓到 0.05%(500 W),導通電阻得低到約 0.32 mΩ。麻煩的是,Infineon 指出降低導通電阻(晶胞排更密)和提高短路耐受的 SOA 互相矛盾,所以他們選 SiC JFET;Ideal Power 則主打 B-TRAN 的低導通損耗。另一個細節是控制電路的電要從哪來:PI 的做法是直接從被保護的 800V 母線降壓自供電,省掉外部輔助電源。

工程重點 3:快要快,但不能誤跳

GPU 進入訓練時,電流會在極短時間內衝到額定的好幾倍。保護器如果把這當成短路,整個系統就被自己關掉。Infineon 的數位控制器用突波計時器與濾波:短暫的尖峰放行,過電流持續超過預設時間才跳脫。再加上 EMI 濾波器(電感+電容)在負載突變時會振盪,過電流門檻設不好就會誤跳。

工程重點 4:半導體壞掉是「短路」,所以還需要機械氣隙

固態開關反應快、沒有觸點磨耗,但目前功率元件的典型失效模式是短路導通,元件壞了等於沒隔離。所以涉及人員安全的地方,標準仍要求機械繼電器提供物理氣隙與電氣隔離。規模放大後還有並聯問題:1 MW 機櫃需要數十顆元件並聯,關斷時間只要差幾百奈秒,電流就可能集中到某一顆上把它燒掉。NVIDIA 的近期解法是混搭:MCCB 先上、搭配饋線備援或保持時間撐過 20 ms,接頭用機械互鎖(插好鎖定才送電、拔之前先斷電),長期再轉向 SSCB。我的推論是:2026–2027 年 SSCB 會先出現在機櫃內的電源架,配電層級的 1250A 版本要等認證與成本到位。

還缺什麼/待核

  • PI × Ideal Power 只說原型可運作,尚未公布導通損耗、關斷時間、額定電流等數字。
  • Infineon XDP8HD40S-1 是控制器,不是完整斷路器,樣品 2027 Q2;完整 SSCB 仍由客戶或合作方(如 SolarEdge)設計。
  • SSCB 在 IEC/UL 等安全標準下的認證路徑,以及資料中心是否能放寬機械氣隙要求,仍在討論中。
  • 文中 1 µH/5 mΩ 的短路電流與 2 mΩ、1 mΩ 的損耗是示意換算,實際依線路、接地方式與電源限流而不同。

相關影片

今天想問你:如果你在設計 800V 機櫃,你會先用成熟的機械斷路器加備援,還是直接上固態斷路器、多付一點損耗換微秒級保護?留言告訴我你的理由。

想自己動手量電流、看用電?家裡的電當然不是 800V 直流,但「先量得到,才保護得了」的道理一樣。這兩樣是我覺得入門好用的工具:

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2026年10月18日 星期日

CPO 共同封裝光學架構解析|102.4T 交換器登上 OCP 2026:銅線到 200G 只剩 1 公尺


重點先講:我們在 3 月的影片說過「銅線撐不住了」。這週在美國聖荷西的 OCP 全球峰會(10/12–15),這句話變成了可以放進機櫃的產品:多家廠商同時展示 Broadcom 第三代 共同封裝光學(CPO)交換器,102.4 Tb/s、64 個 1.6T 埠。下面拆四件事:銅線到底在哪裡撞牆、省電怎麼算、可靠度怎麼解、量產還差什麼。廠商數字來自新聞稿與產品簡介,換算部分是我的算術示意,非實測。

發生了什麼

  • 10/8 Broadcom:宣布在 OCP 展出第三代 TH6-Davisson CPO,並列出 Celestica、台達電、Micas 三家會在現場展示 102.4T CPO 系統。
  • 10/12 Celestica DS6005:64 × 1.6TbE、102.4 Tb/s,1.5OU 高、放進 OCP ORv3 機櫃,全液冷,雷射做成可現場更換的外部模組,跑開源 SONiC。
  • 10/12 Micas:預覽 1RU 的 CPO 平台,64 × 1.6T DR8、200G SerDes,排定 2027 年第一季量產。
  • 10/14 EE Times(Ayar Labs CPO 峰會):Meta、Broadcom、AMD、聯發科、Lumentum、緯穎同台,共識是 CPO 會先進交換器,大規模需求約從 2028 年開始。

CPO 是什麼?傳統做法是交換晶片把高速電訊號送過電路板,跑到前面板,再由插在那裡的光模組(裡面有 DSP 重整訊號)轉成光。CPO 把負責光電轉換的光引擎直接封裝在交換晶片旁邊,電訊號只走幾公分甚至幾毫米就變成光。Davisson 一顆晶片周圍放了 16 個 6.4T 光引擎,光引擎採用台積電 COUPE 技術。

工程重點 1:銅線撞牆的是「頻率 × 距離」

銅線的損耗會隨訊號頻率和長度一起上升,速度越快,能跑的距離越短。聯發科首席架構師在峰會上給的經驗值是:每通道 100G 約 3 公尺、200G 約 1 公尺、400G 不到 0.25 公尺。Davisson 的 SerDes 每通道是 212.5 Gb/s PAM4,剛好卡在「銅線只剩一公尺」這一代。想靠銅線硬撐,就得花更多功率在等化和重整訊號上。換成光之後,損耗幾乎跟距離脫鉤,原本只能塞在一個機櫃裡的 scale-up 網路,才有機會跨好幾個機櫃。

工程重點 2:省電帳怎麼算?

一顆 1.6T DR8 全 DSP 可插拔光模組,公開規格大約 22–30 W。64 埠全插滿就是 64 × 22–30 ≈ 1.4–1.9 kW,還沒算交換晶片本身。Broadcom 宣稱 CPO 讓光互連功耗降低 70%。如果把 70% 套在這個模組功耗上,一台交換器約可省 1.0–1.3 kW。換成每位元能量更直觀:30 W ÷ 1.6 Tb/s ≈ 19 pJ/bit,22 W 約 14 pJ/bit,降 70% 後約 4–6 pJ/bit。注意對手不只 DSP 模組:拿掉 DSP 的 LPO 線性光模組已經有 1.6T 標稱 10 W 以下(約 6 pJ/bit)。所以 CPO 對 LPO 的優勢沒有對 DSP 模組那麼大,這是接下來幾年真正的戰場。註:Broadcom 沒公布 70% 的比較基準細節,以上是我的假設換算。

工程重點 3:雷射拿出來、整台泡液冷

CPO 最大的風險是「光引擎焊死在封裝上」。可插拔模組壞了拔掉換一顆就好,CPO 的光引擎壞了,可能整顆封裝都要報廢。聯發科在峰會上點出:AI 加速器上有價值數萬美元的 HBM,光引擎貼上去後才失效,好好的晶片就跟著陪葬。所以業界先拿交換器開刀:交換器沒有 HBM,功耗也比 GPU 穩定,GPU 的溫度可以瞬間擺盪數十度,而光元件對溫度非常敏感。解法有兩個:一是把最怕熱、最容易壞的雷射移出封裝,做成前面板可插拔的外部光源(ELSFP);二是像 DS6005 這樣整機液冷,讓光引擎的溫度穩定下來。

工程重點 4:量產卡在供應鏈和標準

技術展示有了,量產還沒到。Lumentum 技術長直言:「這個產業還沒準備好應付 CPO 要的量。」雷射、基板、連接器、光纖都要從小眾產線放大到 CMOS 等級。另一個關鍵是標準:Meta 推動的 OCI MSA 第一代用 4 個波長 × 50G,路線圖從 200G 一路排到 3.2T,目標是讓不同廠牌的 GPU 和交換器能互通。對台灣供應鏈來說,這裡面有台積電的光引擎封裝、台達與緯穎的系統整合,都是同一條線上的角色。我的推論是:2026–2027 是交換器端的驗證期,GPU 端的 CPO 要等可靠度和良率數據出來才會跟上。

還缺什麼/待核

  • Broadcom 只給了「降低 70%、超過 3.5 倍」的相對數字,沒有公布絕對的 pJ/bit 和比較基準。
  • Celestica DS6005 的整機功耗、售價與出貨時程未公開;Micas 的 CPO 平台是預覽,量產排在 2027 Q1。
  • CPO 在大規模部署下的現場故障率、光引擎維修流程,目前還沒有公開數據。
  • 本文 22–30 W 模組功耗與省電換算是示意,實際依模組廠牌、距離與交換器設計而不同。

相關影片

今天想問你:如果你是資料中心的工程師,你會先上 CPO,還是繼續用可插拔、改用更省電的 LPO?「壞了只能整片換」這個風險,你願意用每台省 1 kW 去換嗎?留言告訴我。