Die Energieherausforderung in KI-Rechenzentren beschränkt sich nicht mehr auf den Verbrauch von GPU-Einheiten oder die Effizienz von Beschleunigern, sondern erstreckt sich auf den gesamten Pfad, der den Strom vom Netz bis zu den Gattern in den Chips transportiert. Da die Leistung von Server-Racks von heute etwa 125 Kilowatt auf 500 Kilowatt und anschließend auf ein Megawatt steigt, wenden sich Infrastrukturdesigner der 800-VDC-Technik zu, um die Zahl der Energieumwandlungsstufen, Verluste und Wärme zu verringern sowie Kupfer und Platz innerhalb der Rechenzentren einzusparen.
Peter Wawer, Leiter des Bereichs Green Industrial Power bei Infineon Technologies, erklärte, dass die Leistung von Server-Racks derzeit etwa 125 Kilowatt beträgt, bevor sie auf 500 Kilowatt und anschließend beim Erreichen der Megawattklasse auf eine 800-Volt-DC-DC-Umwandlungsarchitektur steigt. Die Kette beginnt üblicherweise bei einem Mittelspannungsnetz mit bis zu 35 Kilovolt. Dort muss der Hochspannungswechselstrom auf geeignete Pegel umgewandelt werden, anschließend in Gleichstrom und schließlich in Spannungen von weniger als einem Volt, die GPUs und andere Beschleuniger benötigen.
Von 48 Volt zu 800 VDC
Herkömmliche Rechenzentren nutzten meist 48-Volt- oder 12-Volt-Architekturen. Der Strom durchlief mehrere Stufen, darunter eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) und eine Einheit zur Aufbereitung und Verteilung der Energie (PDU), bevor er auf 48 Volt und anschließend auf Spannungen wie 1,2 oder 0,7 Volt innerhalb des Grafikprozessors umgewandelt wurde. Steven Lee, Produktmanager für Leistungselektronik-Designsoftware bei Keysight Technologies, sagt, dass dieser Ansatz geeignet war, als der Bedarf von Rechenzentren deutlich unter den durch KI-Lasten vorgegebenen Niveaus lag.
In der vorgeschlagenen 800-VDC-Architektur kann ein Teil der Wechselstromstufen in einer einzigen AC-DC-Schnittstelle zusammengeführt werden, die Siliziumkarbid verwendet. Anstatt nacheinander zahlreiche Stufen zu durchlaufen, wird der Pfad kürzer, wodurch die Schaltverluste und die mit jeder Stufe verbundenen Wärmeverluste sinken. Pavani Gottipati, Leiterin des Application Engineering bei Synopsys, ist der Ansicht, dass der Übergang von Komponentenlieferanten und Rechenzentrumsbetreibern von der herkömmlichen 415-VAC-Architektur zu 800 VDC ein Überdenken des Komponentendesigns erfordert, einschließlich der Einführung von Solid-State-Transformatoren.
Eine höhere Spannung erhöht die benötigte Leistung nicht an sich, senkt jedoch den für die Übertragung derselben Leistung erforderlichen Strom. Daher hält Pradeep Shenoy, Spezialist für Computerstromtechnik bei Texas Instruments, das Festhalten an etwa 50 Volt bei den neuen Leistungsniveaus selbst bei Flüssigkeitskühlung der Stromschienen für nicht praktikabel. Er weist außerdem darauf hin, dass der Übergang über Zwischenpegel wie 400 Volt möglicherweise nicht attraktiv ist, wenn die Rack-Leistungen weiterhin schnell steigen, da die Anlagen möglicherweise erneut umgebaut werden müssten, um 800 Volt zu erreichen.
Höhere Effizienz, weniger Platz und Kupfer
Eine 800-VDC-Architektur ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, leichtere Transformatoren und weniger Platz für Energieverteilungskomponenten. Bei gleicher Leistung führt die höhere Spannung zu einem geringeren Strom, sodass dünnere Kabel anstelle der bei 48 Volt erforderlichen dicken Leiter verwendet werden können. Dies ist besonders in KI-Rechenzentren von Bedeutung, wo die Übertragung hoher Leistungen bei großen Strömen erhebliche Kupfermengen verbrauchen und thermische sowie mechanische Einschränkungen für die Racks verursachen kann.
Auch begrenzte Effizienzsteigerungen jeder einzelnen Stufe summieren sich über die Umwandlungskette. Shenoy erklärte, dass der Übergang von einem 12-Volt-Eingang zu 6 Volt in einer Stufe der Energieumwandlung rund 2 % Effizienzgewinn ermöglichen und innerhalb desselben Bauraums etwa 30 % mehr Leistung bereitstellen könne. Er fügte hinzu, dass eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads um einen Prozentpunkt für Cloud-Serviceanbieter und Rechenzentrumsbetreiber erhebliche betriebliche und finanzielle Auswirkungen haben könne.
Die Vorteile beschränken sich nicht auf Rechenzentren. Puneet Sinha, Senior Director und globaler Leiter der Batterietechnologie bei Siemens EDA, wies auf den Trend mehrerer Unternehmen zu 800-Volt-Batteriearchitekturen hin, die potenzielle Vorteile beim Laden bieten, zugleich jedoch neue Anforderungen an Wechselrichter und die mit dem System verbundenen elektronischen Komponenten stellen.
Die Rolle von SiC, GaN und Solid-State-Transformatoren
Solid-State-Transformatoren ersetzen in einigen 800-VDC-Designs schrittweise herkömmliche Transformatoren mit Eisenkern. Ein Solid-State-Transformator kann direkt an das Hochspannungswechselstromnetz angeschlossen werden und je nach gewählter Architektur anschließend eine Niederspannungswechselstromausgabe liefern oder direkt in 800 VDC umwandeln.
Breitbandlückenmaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Wärmeverluste und ermöglichen zudem kleinere und leichtere magnetische Komponenten. Flache Transformatoren tragen im Vergleich zu herkömmlichen drahtgewickelten Transformatoren dazu bei, die Bauhöhe zu verringern und den verfügbaren Platz in den Racks dichter zu nutzen.
Der Übergang von Silizium zu SiC oder GaN ist jedoch kein direkter Austausch. Höhere Schaltgeschwindigkeiten verschärfen die Herausforderungen durch elektromagnetische Interferenzen und Rauschen und erfordern stabile Regelkreise sowie andere Gate-Ansteuersignale und ein geeignetes Magnetikdesign. Die Materialwahl bleibt von Spannungsklasse und Anwendung abhängig. IGBT-Transistoren können für einige langsamer schaltende Transformatoren weiterhin geeignet sein, während Wawer der Ansicht ist, dass sich ein hochspannungsfähiger, schnell schaltender Solid-State-Transformator besonders für SiC eignet. GaN wird ebenfalls wegen seiner Effizienz, Leistungsdichte und Fähigkeit eingesetzt, in einem breiten Spannungsbereich zu arbeiten.
Was ändert sich in Architektur und Betrieb konkret?
Die Anforderungen an die Stromversorgung verändern sich bis hin zu den Lasten selbst. Power-Management-ICs (PMICs) sind zu zentralen Komponenten für die Systemleistung geworden und keine nachgelagerten Elemente mehr, da sie Versorgungsschienen näher am Prozessor und Speicher erzeugen, eine präzisere Spannungsregelung, Echtzeitmessung und integrierte Sequenzierung ermöglichen, zugleich Umwandlungsverluste reduzieren und schnelle Laständerungen unterstützen.
Mit steigenden DRAM-Geschwindigkeiten gerät auch das Speichersystem zusätzlich unter Druck. Jeder Spannungseinbruch kann zu Fehlern beim Speichertiming und dadurch zu Datenbeschädigung oder anderen Serverausfällen führen. Daher wurden Lösungen für die Speicherstromversorgung auf PMICs verlagert, die in DDR5-Module integriert sind. Herausforderungen im Zusammenhang mit Laststrom, Genauigkeit der Spannungsregelung und Reaktion auf plötzliche Änderungen bestehen jedoch fort.
Auf Chipebene reicht eine alleinige Neugestaltung des Stromversorgungsnetzes nicht aus. Shenoy betont, dass die Steigerung der Recheneffizienz des Prozessors weiterhin ein zentraler Weg bleibt. Gleichzeitig verzeichnen Unternehmen wie Imagination Technologies eine Nachfrage, effiziente GPU-Technologien von Edge- und Automobilanwendungen auf größere Dimensionen für Rechenzentren auszuweiten. John Weil von Synaptics weist darauf hin, dass die Entwicklung von KI-Modellen, darunter Bild- und Sprachmodelle, die Nachfrage nach höheren Kapazitäten innerhalb kurzer Zeiträume steigert.
Der Übergang zu 800 VDC stellt dagegen eine große Sicherheitsherausforderung dar, insbesondere bei der Modernisierung bestehender Rechenzentren. Hoa Tram, leitende Produktentwicklerin bei Cadence, sagt, dass Trennvorrichtungen, Leistungsschalter, Sicherungen und Trennschalter, die für die Unterbrechung von Wechselstromfehlern ausgelegt sind, durch für Gleichstrom geeignete Geräte ersetzt werden müssen. Außerdem müssen neue Mess- und Warnsysteme integriert und die Mitarbeiter im Umgang mit den unterschiedlichen Anlagen geschult werden.
Die Vielfalt der Designs erhöht die Komplexität zusätzlich: Einige Anlagen könnten einen einpoligen 800-Volt-Leiter verwenden, während andere eine zweipolige Struktur mit ±400 Volt bevorzugen, was sich auf die Interoperabilität, die Schutzsysteme sowie die erforderlichen Schulungen und Zertifizierungen für das Personal auswirkt. Gleichzeitig könnten einige Rechenzentren an einer 48-Volt-Struktur festhalten und dabei von effizienteren Wandlern profitieren. So zeigte beispielsweise ein von Ingenieuren der Binghamton University entwickeltes Labormodell einen einphasigen Point-of-Load-Wandler mit einem um 10 % bis 12 % höheren Wirkungsgrad und einer Anstiegsrate, die ungefähr doppelt so schnell war wie zuvor.
Diese Entwicklungen verdeutlichen, dass 800VDC keine einzelne Komponente ist, sondern eine Neugestaltung der Energiekette vom Netz bis zum Gate innerhalb des Chips. Diese Vision erfordert effizientere Wandler, Materialien, Halbleiter und Stromversorgungsschaltungen sowie Aktualisierungen bei Schutz, Kühlung und Betrieb. Der langsame Ausbau der Infrastruktur und der Stromnetze könnte jedoch das Anwendungstempo begrenzen, selbst wenn der Bedarf von Dutzenden oder Hunderten Kilowatt auf Rack-Ebene auf Megawatt und anschließend auf Dutzende oder Hunderte Megawatt auf Rechenzentrumsebene steigt.