シリコン超接合MOSFET技術 - "見過ごされてきたソリューション"

著者：サミュエル・アンダーソン - IceMOS Technology Corporation CEO

レイモンド・ワイリー 　　- IceMOS Technology CorporationパワーMOSFET事業GM

はじめに

IceMOS Technology Corporationは、600Vから750Vまでの高電圧、シリコンベースのスーパージャンクション・パワーMOSFETを供給している。現在のGen-1およびGen-2ポートフォリオに含まれるデバイスは、電力管理システムに使用することで、データセンターの効率向上への道を提供する。業界のトレンドとして、データセンターは増え続ける需要に対応するためにより多くのことを行うことが求められており、運用コストの削減、稼働時間の増加、効率性の向上、環境への配慮も課題となっている。

本稿では、シリコンベースのスーパージャンクションMOSFETがデータセンターの電源管理で現在どのように使用されているかを取り上げる。また、IceMOSが将来的にデータセンターで使用するために追求している、より高い効率性を実現し、これらの製品を使用することでより広範な影響を与えることができるようにするための先進的なビジョンについても紹介する。

"調査結果は..."

Uptime Instituteの「Global Data Center 2022 Survey」 ¹  、世界中のさまざまな業界から830人のエンドユーザーが参加した。これらのITおよびデータセンターの専門家は、回答によって幅広いトピックについて見識を示した。予想通り、この調査では、テクノロジー主導のアプリケーションやトレンドの拡大に後押しされ、業界のダイナミックな成長とますます爆発的な需要の継続が予測されるという回答者の確信が確認された。モノのインターネット（IoT）、人工知能（AI）、機械学習（ML）、そして現在も残るCovid主導のバーチャル体験（オンラインショッピング、バーチャル会議、カンファレンス、医療予約）が、業界の成長を支え続けている。しかし、データセンターの持続可能性、停電、効率改善に関連するトピックに関するアンケートの質問には、共通項があるため特に興味を引く予想外の回答もあった。それが「電力の使用と管理」である。

持続可能性 - 法律が制定され、場合によっては企業目標が公表されたとしても、603人の回答者のうち、この質問で挙げられたほとんどのカテゴリーにおいて、追跡調査や報告があまり行われていないようだと、この調査は結論づけている。図1が示すように、最も監視されているのは、電力に関連する2つのカテゴリーである。これは、データセンターの光熱費が総運用費の80％を占めることもあるという事実から説明できる。電力使用量の監視と報告は、多くの管理者にとって、持続可能性の指標というよりも、ビジネスの指標として捉えられている可能性がある。

停電-回答者が報告した破壊的な停電の回数が、2021年の69％から2022年には60％へと年々減少していることは良いニュースである。停電に関しては良いニュースばかりではない。数は減ったものの、停電のコストは増加した。回答者779人のうち25％が、直近の停電のコストは直接・間接コストともに100万ドルを超えたと答えた（2021年の15％、2020年の16％から上昇）。回答者の大多数である45%は、そのコストを10万ドルから100万ドルの間と見積もっている。ビジネスモデルやコストモデルの変更は、中断されると即座に収益損失につながる要因と見られている。

停電に関する2つ目の悪いニュースは、停電の主な原因は変わっていないということだ。Uptimeの研究者は、電力関連の停電を引き起こしている主な原因を特定するために、別の分析でさらに深く掘り下げた。その結果、無停電電源装置の故障が上位3位を占め、次いで転置スイッチ（発電機/グリッド）、発電機の故障が少なかった。原則として、Uptimeの研究者たちは、ユーティリティ・グリッドの故障を停電の主な原因とはしていない。しかし、電力関連の障害が近年増加しているのは、老朽化した送電網インフラの信頼性問題に直接関連している可能性があり、標準以下の保守やトレーニングを実施しているデータセンターがその影響を受けていることが指摘されている。

効率性の向上 - 参加者は、今後5年間にデータセンターの効率性に影響を与える将来の技術革新について、上位3つの回答を求められた。この質問に対する回答者744人のうち50%が、その期間中にエネルギー効率の大幅な改善が最も期待できると考える技術革新として、Software-Defined Powerを選択した。2位と3位には、データセンター運用のための人工知能（AI）と、機器の冗長化に代わるマルチサイト耐障害性の開発が選ばれた。

上位2つの効率化ソリューションがソフトウェアベースのソリューションであり、負荷分散、負荷バランシング、サーバーのスロットリングなどのタスクを実行するために、電気システムとの相互作用、場合によっては電気システムの制御に依存していることは興味深い。

IceMOSテクノロジー mSJMOS^TM  ストーリー

半導体は、データセンター事業者にとって、そのアップタイム調査で特定された持続可能性、停電、効率改善の課題に対応する上で、間違いなく重要な役割を果たすだろう。ソフトウェアの革新は、ハードウェア側で使用される半導体チップセットの進歩がない限り、実行可能な潜在的解決策と見なすことはできない。マイクロコントローラー（MCU）、マイクロプロセッサー（MPU）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）、グラフィック・プロセッシング・ユニット（GPU）、特定用途向け集積回路（ASIC）などのプロセッシング・デバイスのパフォーマンス能力を最適化することが、当然のことながら重視されている。これらは高性能コンピューティング・タスクに必要不可欠なコンポーネントである。しかし、将来のデータセンター・チップセット・ソリューションの一部として見過ごされがちな半導体技術のひとつに、シリコンパワーMOSFETがある。信頼性が高く、低コストで高性能なMOSFET技術の開発における進歩は、ハードウェア・システム設計者やソフトウェア開発者が今日および将来のデータセンターが直面する課題を克服するために頼りにしている前述の最先端処理デバイスの性能を成功させる上で重要な役割を果たすだろう。

IceMOSテクノロジーは、20年以上前に独自の知的財産を応用し、独自の誘電体絶縁技術プラットフォームを開発した。このプロセスは、同一チップ上のコンポーネント間に高電圧絶縁を提供する。製造プロセスには3つの要素がある。厚膜ボンディングシリコン・オン・アイソレータ（SOI）基板と最先端の高アスペクト比ディープ・トレンチ・エッチングの組み合わせ、そして酸化膜/ポリシリコンのリフィルである。このトレンチSOIウェハープロセスは、微小電気機械システム（MEMS）デバイスの製造にごく一般的に使用されている。しかし、IceMOSは、MEMS製造技術をサブミクロンCMOS製造と融合させ、IceMOS MEMS Superjunction MOSFET (mSJMOS™)技術プラットフォームを生み出すことに成功した最初の半導体企業である。

シリコンMOSFET技術とMEMSプロセス技術を組み合わせたmSJMOS™は、低オン抵抗、超低ゲート電荷、高dv/dt能力、高アンクランプ誘導スイッチング（UIS）、高ピーク電流能力など、極めて優れた性能を発揮するスケーラブルな高電圧スーパージャンクションMOSFETを実現する。

データセンター向けAC入力からPOLまでの電源管理

データセンターは通常、送電網から交流電力を供給され、施設全体に配電される。サーバーを含むほとんどの電気機器には、マイクロプロセッサー、メモリー、グラフィックス・チップなどが搭載されており、これらはすべて、高品質で過渡電流のない直流電力を必要とする。つまり、交流電力は何段階もの電力変換を経なければならず、その結果、電力損失とエネルギーの無駄が生じる。これではコスト高で非効率的となる。

図 3 は、典型的なデータセンター・サーバーの高電圧 AC 入力-負荷点（POL）配電電力段を示す。図中で強調されている 600V mSJMOS™ Gen-1 および Gen-2 デバイスは、データ・センターにおける AC から DC への電力変換システムの 3 つの電力管理ステージ（「突入」電流保護（ICP）、力率補正（PFC）、およびダウン・コンバータ）をカバーしている。しかし、需要の増大と効率の向上という課題には、ここに示したものとは異なるアプローチが必要だ。

より高電圧の直流配電と変換への移行をより迅速に行うことは、直接的に効率を改善することになる。音声、データ、ネットワークが収束・融合し、データ需要が世界的に半年ごとに倍増すると予測される中、エネルギーが指数関数的に増加しても改善は可能である。