Vom Stromnetz zum Chip: Optimierung der Stromversorgung für KI-Rechenzentren

Die Einschränkungen von Stromversorgungssystemarchitekturen in Rechenzentren angehen

Rechenzentrumsbetreiber benötigen Zugang zu mehr Stromquellen und die Möglichkeit, diesen Strom effizient vom Netz über die Anlage und die Racks bis hin zum Chip zu verteilen. Gleichzeitig wächst der Druck, die Investitionskosten für die IT-Infrastruktur, einschließlich Netzteile, Verteilsysteme und Kühllösungen, zu senken. Die Senkung der Energiekosten und die Reduzierung der Umweltbelastung sind gleichermaßen entscheidend. Da die Betreiber durch Infrastrukturoptimierung ihre Kapitalrendite steigern und sich Wettbewerbsvorteile sichern wollen, haben die Maximierung der Stromumwandlung und die Minimierung der Betriebskosten höchste Priorität.

Allerdings stoßen Stromversorgungssysteme auf einige wesentliche Einschränkungen. Der anhaltende Trend zu niedrigeren Spannungen und höheren Strömen auf Chipebene erfordert beispielsweise, dass die letzte Wandlungsstufe sehr nah an der Last platziert wird. Dies minimiert den Spannungsabfall und die durch die Verbindungsinduktivität verursachten Störungen und ermöglicht es, die höheren Anforderungen an die Lastwechselleistung moderner Prozessoren zu erfüllen. Darüber hinaus stellt die Platzierung der Leistungselektronik in der Nähe der Chips eine Herausforderung für das Wärmemanagement dar, insbesondere in den ohnehin schon beengten Bauräumen.

Die Spannungswandlung der Prozessoren von den Spannungsreglermodulen erfolgt stufenweise über ein verteiltes Stromversorgungssystem. Dieses System umfasst typischerweise netzgekoppelte AC/DC-Wandler, Backup-Systeme und Zwischenschienen mit zugehörigen Stromrichtern, die mit Spannungen arbeiten, welche die Ströme auf einem handhabbaren Niveau halten. Diese Stufen tragen dazu bei, die Dimensionierung und die Kosten der Verbindungen, die Leistungsverluste und die Spannungsabfälle im System zu minimieren.

Die Entwicklung einer optimalen Stromversorgungsarchitektur umfasst auch die Integration von Stromrichtern in die Kühlinfrastruktur des Rechenzentrums sowie die Entscheidung über mögliche Bereiche für die galvanische Trennung der Stromwandlung, um Sicherheitsrisiken und Erdschleifen zu minimieren. Letztendlich spielen die räumlichen Gegebenheiten und die thermischen Anforderungen – bedingt durch Leistungsdichte und Effizienz – eine entscheidende Rolle für den Einsatzort und die Art der Stromversorgungsausrüstung.

Ermittlung einer optimalen Lösung für die Stromverteilung in Rechenzentren

Die Stromverteilung in Rechenzentren umfasst ein breites Spektrum an Technologien – von traditionellen Netztransformatoren und Schaltanlagen bis hin zu mechanischen Stromschienen und Hochfrequenz-DC/DC-Wandlern im Megahertzbereich (MHz). Angesichts dieser Vielfalt an Optionen kann die Bestimmung der effektivsten Konfiguration schwierig und mitunter subjektiv sein.

Ein Systemarchitekt könnte beispielsweise eine Stromverteilung mit 800 V befürworten._Gleichstrom statt 48 V_Gleichstrom Um die Stromstärke zu reduzieren, Leistungsverluste und Spannungsabfälle zu minimieren und den Einsatz kleinerer, kostengünstigerer Stromschienen und Kabel zu ermöglichen, wird die höhere Spannung verwendet. Diese höhere Spannung bringt jedoch strengere Konformitätsanforderungen mit sich, die zusätzliche Isolierung, galvanische Trennung und Zertifizierungsverfahren erfordern. Sie erhöht auch die Anforderungen an die Personensicherheit, sodass nur entsprechend qualifizierte Ingenieure und Techniker an solchen Systemen arbeiten dürfen. Im Gegensatz dazu liegen die Stromschienenspannungen bei 48 V._Gleichstrom Sie erfreuen sich weiterhin großer Beliebtheit, da sie in der Industrie weit verbreitet sind und bewährte Komponentenoptionen bieten, die durch Skaleneffekte mehrere Bezugsquellen und niedrigere Kosten ermöglichen. Zudem sind sie von Natur aus sicher, da sie unterhalb der Grenzwerte für Sicherheitskleinspannung (SELV) liegen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auslegung ist die Frage, ob die Zwischenkreisspannungen geregelt oder ungeregelt sein sollen. Ungeregelte, isolierte Systeme bieten zwar einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Leistungsdichte, erfordern aber in der Regel eine sorgfältige Auswahl der nachgeschalteten Wandler, um die Kompatibilität sicherzustellen. Einige Systeme verwenden hybride Regelungsverfahren, bei denen die Zwischenkreisspannung innerhalb vordefinierter Grenzen schwanken darf und die aktive Regelung erst bei Überschreitung dieser Schwellenwerte eingreift. Dieser Ansatz gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig größerer Flexibilität für die nachgeschaltete Leistungswandlung.

Erreichen einer durchgängigen Optimierung der Leistungsumwandlung in Rechenzentren

Die Ermittlung der optimalen Lösung für die Stromwandlung und -verteilung zwischen Stromnetz und Chip erfordert einen ganzheitlichen Ansatz. Konventionelle Stromversorgungsarchitekturen sind für die Anforderungen von Systemen der nächsten Generation weniger geeignet, da sich die Grenzen zwischen den Wandlungsstufen verschieben. So sind DC/DC-Wandler beispielsweise heute mithilfe von vertikalen Stromversorgungstechnologien (VPD), die auf die individuellen Pinbelegungen der jeweiligen Prozessoren zugeschnitten sind, elektrisch und thermisch eng mit Prozessoren integriert.

Werden Komponenten der Stromversorgungskette von verschiedenen Anbietern bezogen, steigt das Risiko von Inkompatibilitäten. Jeder Lieferant kann proprietäre Technologien einsetzen, die sich nicht nahtlos integrieren lassen, was den Aufbau eines vollständig integrierbaren Systems erschwert. Daher ist es von großem Vorteil, mit einem erfahrenen und zuverlässigen Partner für Stromversorgungssysteme zusammenzuarbeiten, der integrierte Komplettlösungen liefern kann – und so die Kompatibilität der Komponenten gewährleistet, die Leistung optimiert, Kosten senkt und langfristigen Support und Beratung bietet.

Flex bietet eine breite Palette an Stromversorgungs- und Kühlprodukte für Rechenzentren, Das Portfolio von Flex umfasst DC/DC-Regler und Bus-Umrichter sowie Lösungen für die AC/DC-Wandlung im Mittel- und Niederspannungsbereich, die Stromverteilung, kritische Notstromsysteme und die Kühlung auf Rack- und Chipebene. Darüber hinaus bietet Flex kundenspezifische Designlösungen, darunter Konfigurationen für die vertikale Stromversorgung und Simulationstools zur Modellierung von Systemen vor der Implementierung. Umfassendes Monitoring und Support gewährleisten zudem dauerhafte Leistung und Zuverlässigkeit.

Da die Nachfrage nach Rechenzentrumskapazität weiterhin rasant wächst, benötigen Rechenzentrumsbetreiber zuverlässige Partner, die nicht nur Produkte, sondern komplette, skalierbare Lösungen liefern. Flex verfügt über umfassende Expertise in den Bereichen Design, Produktentwicklung, Fertigung, Systemintegration und Lieferkettenmanagement und ermöglicht Rechenzentren so, effizient zu skalieren und sich ändernden Leistungsanforderungen gerecht zu werden, indem die benötigte Kapazität bedarfsgerecht bereitgestellt wird. Von etablierten Anlagen bis hin zu Greenfield-Projekten ist die schnelle und zuverlässige Bereitstellung von Stromversorgungs- und Kühlinfrastruktur der nächsten Generation weltweit heute ein entscheidender Faktor für die Ausfallsicherheit von Rechenzentren.

Vertikale Stromversorgung steigert Effizienz und Leistung

Vertikale Kraftübertragung Die Spannungsversorgung (VPD) optimiert das Energiemanagement in Rechenzentren durch höhere Effizienz und Zuverlässigkeit sowie deutlich reduzierte Energieverluste. Herkömmliche Methoden der lateralen Stromversorgung führen oft zu erheblicher Verlustleistung auf der Leiterplatte, was die Energiekosten erhöht und das Wärmemanagement erschwert. Im Gegensatz dazu verkürzt VPD den Stromübertragungsweg, indem Spannungsregler direkt unter Hochleistungsprozessoren platziert werden. Diese Nähe minimiert den Widerstand der Stromversorgungsebene, erhöht die Stromdichte und senkt die Leistungsverluste drastisch. VPD-Designs, die direkte Verbindungen von der Unterseite zu Prozessoren und ASIC-Stromanschlüssen ermöglichen, optimieren Effizienz und Leistung zusätzlich.

Verbesserung der Kühlleistung auf Chipebene

Während beschleunigte Rechenplattformen den Energiebedarf von Rechenzentren erhöht haben, stellt die von ihnen erzeugte Wärme eine enorme Herausforderung für Kühllösungen dar. Die Direktkühlung des Chips leitet die Wärme von den Prozessoren zu flüssigkeitsgekühlten Kühlplatten. Dieser Ansatz kann in Rechenzentren die Zwangsluftkühlung hinsichtlich Wärmetransport und -abfuhr deutlich übertreffen und das Platinendesign flexibler gestalten, da Prozessoren und Kühlkörper nicht mehr in der Nähe von Luftauslässen platziert werden müssen. JetCool, ein Unternehmen der Firma Flex, Dieser Ansatz wird durch die Mikrostrahltechnologie erweitert, die gezielt Hotspots behandelt, um die Kühlleistung auf Chipebene zu verbessern.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung, intelligent verwaltet

Eine zuverlässige und skalierbare Stromversorgung ist unerlässlich, um Ausfallzeiten und Datenverluste in Rechenzentren zu vermeiden und deren hohe Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten. Stromausfälle, Lastungleichgewichte und eine ineffiziente Stromverteilung können erhebliche Folgen haben, von Serviceausfällen über Überhitzung bis hin zu Geräteausfällen. Vorgefertigte modulare Systeme, wie sie beispielsweise von [Name des Unternehmens/der Firma] entwickelt wurden, bieten hierfür eine Lösung. Anord Mardix, ein Unternehmen der Flex-Gruppe, kann zeitaufwändige und kostspielige Änderungen an den Plänen zur Erweiterung von Rechenzentren vermeiden.

Mit freundlicher Genehmigung von Components in Electronics