Die Herausforderung der Energieversorgung in Rechenzentren für künstliche Intelligenz beschränkt sich nicht mehr auf den Verbrauch von GPU-Einheiten oder die Effizienz der Beschleuniger, sondern erstreckt sich auf den gesamten Weg, 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 Infrastrukturplaner der 800-VDC-Architektur zu, um die Zahl der Energieumwandlungsstufen zu verringern, Verluste und Wärme zu reduzieren sowie Kupfer und Platz in 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 bei Erreichen der Megawattklasse auf eine 800-Volt-DC-DC-Wandlerarchitektur steigt. Die Kette beginnt üblicherweise bei einem Mittelspannungsnetz mit bis zu 35 Kilovolt, wo hochspannungsseitiger Wechselstrom in geeignete Pegel umgewandelt werden muss, 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 überwiegend 48-Volt- oder 12-Volt-Architekturen. Der Strom durchlief mehrere Stufen, darunter eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) und eine Energieaufbereitungs- und Verteilungseinheit (PDU), anschließend die Umwandlung auf 48 Volt, bevor er Spannungen wie 1,2 oder 0,7 Volt innerhalb des Grafikprozessors erreichte. Steven Lee, Leiter für Produkte von Leistungselektronik-Designsoftware bei Keysight Technologies, sagt, dass dieser Ansatz geeignet war, als der Energiebedarf 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 integriert werden, die Siliziumkarbid verwendet. Anstatt nacheinander zahlreiche Stufen zu durchlaufen, wird der Pfad kürzer, wodurch Schaltverluste und die mit jeder Stufe verbundene Wärme reduziert werden. Pavani Gottipati, Leiterin der Anwendungstechnik bei Synopsys, ist der Ansicht, dass der Übergang von Komponentenlieferanten und Rechenzentrumsbetreibern von der herkömmlichen 415-VAC-Architektur zu 800 VDC ein grundsätzliches Umdenken beim Komponentendesign erfordert, einschließlich der Einführung von Festkörpertransformatoren.
Eine Erhöhung der Spannung steigert die benötigte Leistung an sich nicht, senkt jedoch den Strom, der zur Übertragung derselben Leistung erforderlich ist. Deshalb hält Pradeep Shenoy, Spezialist für Computer-Stromversorgungstechnologie bei Texas Instruments, eine Beibehaltung von etwa 50 Volt bei den neuen Leistungsniveaus selbst dann nicht für praktikabel, wenn die Stromschienen flüssigkeitsgekühlt werden. Er weist außerdem darauf hin, dass der Übergang über Zwischenstufen 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
Die 800-VDC-Architektur ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, leichtere Transformatoren und einen geringeren Platzbedarf für Komponenten der Energieverteilung. Bei gleicher Leistung führt die höhere Spannung zu einem niedrigeren Strom, sodass dünnere Leitungen anstelle der bei 48 Volt erforderlichen dicken Leiter verwendet werden können. Dies ist in Rechenzentren für künstliche Intelligenz besonders wichtig, da die Übertragung von Leistung bei hohen Strömen große Mengen Kupfer verbrauchen und thermische sowie mechanische Einschränkungen für die Racks verursachen kann.
Auch eine begrenzte Effizienzsteigerung jeder einzelnen Stufe summiert sich über die gesamte Umwandlungskette. Shenoy zufolge kann der Übergang von einem 12-Volt-Eingang auf 6 Volt in einer der Energieumwandlungsstufen etwa 2 % Effizienz einsparen und innerhalb desselben Platzes etwa 30 % mehr Leistung ermöglichen. Er fügte hinzu, dass eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um einen Prozentpunkt für Cloud-Anbieter und Betreiber von Rechenzentren erhebliche betriebliche und finanzielle Auswirkungen haben kann.
Die Vorteile beschränken sich nicht auf Rechenzentren. Puneet Sinha, Senior Director und globaler Leiter der Batterietechnologie bei Siemens EDA, verwies auf die Tendenz mehrerer Unternehmen zu Batteriearchitekturen mit 800 Volt und auf potenzielle Vorteile beim Laden. Dies stellt jedoch seinerseits neue Anforderungen an Wechselrichter und die mit dem System verbundenen Elektronikkomponenten.
Die Rolle von SiC, GaN und Festkörpertransformatoren
Festkörpertransformatoren ersetzen in einigen 800-VDC-Designs schrittweise herkömmliche Transformatoren mit Eisenkern. Ein Festkörpertransformator kann direkt an das hochspannungsseitige Wechselstromnetz angeschlossen werden und je nach gewählter Architektur entweder einen niederspannungsseitigen Wechselstrom ausgeben oder direkt in 800 VDC umwandeln.
Breitbandlückenmaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ermöglichen höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Wärmeverluste und erlauben zudem kleinere und leichtere magnetische Komponenten. Flachtransformatoren helfen im Vergleich zu herkömmlichen drahtgewickelten Transformatoren dabei, die Bauhöhe zu verringern und den Platz innerhalb der Racks mit höherer Dichte 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 Wahl des Materials bleibt von der Spannungsklasse und der Anwendung abhängig. IGBT-Transistoren können für einige langsamer schaltende Transformatoren weiterhin geeignet sein, während Wawer der Ansicht ist, dass ein hochspannungsseitiger, schnell schaltender Festkörpertransformator besonders gut zu SiC passt. GaN wird ebenfalls wegen seiner Effizienz, Leistungsdichte und Fähigkeit eingesetzt, in einem breiten Spannungsbereich zu arbeiten.
Was ändert sich praktisch an Architektur und Betrieb?
Die Anforderungen an die Energieversorgung verändern sich auch in unmittelbarer Nähe der Lasten. Power-Management-ICs (PMICs) sind zu zentralen Komponenten der Systemleistung geworden und keine nachgelagerten Elemente mehr, da sie Versorgungsschienen näher am Prozessor und Speicher erzeugen, eine präzisere Spannungsregelung, Echtzeitmessung und integrierte Sequenzierung bereitstellen, Umwandlungsverluste reduzieren und schnelle Laständerungen unterstützen.
Das Speichersystem steht mit steigenden DRAM-Geschwindigkeiten unter zusätzlichem Druck. Jeder Spannungsabfall kann zu Fehlern beim Speichertiming und damit zu Datenbeschädigung oder anderen Serverausfällen führen. Deshalb wurden Lösungen für die Speicherstromversorgung auf in DDR5-Module integrierte PMICs umgestellt, wobei die Herausforderungen im Zusammenhang mit Laststrom, Genauigkeit der Spannungsregelung und Reaktion auf plötzliche Änderungen fortbestehen.
Auf Chipebene reicht eine Neugestaltung des Stromversorgungsnetzes allein nicht aus. Shenoy betont, dass eine höhere Recheneffizienz des Prozessors weiterhin ein zentraler Ansatz bleibt. Gleichzeitig verzeichneten Unternehmen wie Imagination Technologies eine Nachfrage danach, effiziente GPU-Technologien von Edge- und Fahrzeuganwendungen auf größere Größenordnungen für Rechenzentren auszuweiten. John Weil von Synaptics weist darauf hin, dass die Entwicklung von KI-Modellen, darunter Bild- und Sprachmodelle, innerhalb kurzer Zeiträume den Bedarf an höherer Leistung 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 ausgelegte Geräte ersetzt werden müssen. Außerdem müssen neue Mess- und Warnsysteme integriert und die Mitarbeiter im Umgang mit der veränderten Ausrüstung geschult werden.
Разнообразие конструкций повышает сложность: некоторые объекты могут использовать однополярную шину с напряжением 800 вольт, тогда как другие предпочитают биполярную архитектуру ±400 вольт, что отражается на совместимости, системах защиты, а также на необходимом обучении и сертификации персонала. В то же время некоторые центры обработки данных могут сохранять архитектуру 48 вольт, используя более эффективные преобразователи. Например, лабораторный прототип, разработанный инженерами Binghamton University, продемонстрировал, что однофазный преобразователь для точки нагрузки имеет КПД на 10–12% выше, а скорость изменения параметров примерно вдвое выше прежней.
Эти разработки показывают, что 800VDC — это не отдельный компонент, а перепроектирование всей энергетической цепочки от сети до затвора внутри микросхемы. Такой подход требует более эффективных преобразователей, материалов, полупроводников и схем управления питанием, а также обновлений в области защиты, охлаждения и эксплуатации. Однако медленные темпы строительства инфраструктуры и развития электросетей могут ограничить скорость внедрения, даже несмотря на рост потребностей — от десятков или сотен киловатт на уровне стойки до мегаватт, а затем до десятков или сотен мегаватт на уровне центра обработки данных.