Aufbauend auf der Vergangenheit
Betrachten wir zunächst, wie sich die bestehende Verteilungsarchitektur weiterentwickeln könnte, um den Herausforderungen der KI gerecht zu werden. Traditionell wird jedes Rack mit Wechselstrom versorgt und anschließend auf ca. 50 V Gleichstrom gleichgerichtet. Dieser Gleichstrom wird dann zu den Regalböden geleitet, wo eine weitere ungeregelte Schiene mit typischerweise 12,5 V oder 6,25 V Ausgangsspannung bei 50 V anliegt.In Die Spannung wird auf Kartenebene erzeugt. Diese versorgt wiederum Spannungsreglermodule (VRMs) in unmittelbarer Nähe der Prozessoren. Dadurch werden die Strompfade mit den höchsten Strömen im Sub-1-V-Bereich des Prozessors so kurz wie möglich gehalten, wodurch Spannungsabfall und Verbindungsverluste minimiert und gleichzeitig ein gutes Ansprechverhalten auf transiente Lasten gewährleistet wird. Backup-Batterien können bequem an den 50-V-Bus angeschlossen werden. Für Arbeitslasten mit relativ geringem Spitzenlastzyklus können Buswandler mit einer niedrigeren Dauer- oder thermischen Nennleistung und einer zeitlich begrenzten Spitzenleistung spezifiziert werden.
Welche Stellschrauben kann ein Systementwickler also drehen, um die Anordnung für KI-Lasten geeignet zu machen? Die Wahl des Bus-Levels ist wichtig. Bei einer Eingangsspannung von 54 V erzeugt ein fester 4:1-Wandler eine nominale Busspannung von 13,5 V, während ein 8:1-Wandler 6,75 V erzeugt. Die 8:1-Variante führt einen höheren Strom auf dem Zwischenbus, was die Leitungsverluste erhöht, aber ihre niedrigere Ausgangsspannung kann die Schaltverluste im nachgeschalteten VRM reduzieren. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems hängt daher vom Arbeitspunkt und den Eigenschaften beider Wandlungsstufen ab.
Ein VRM, der mit einer nominalen Eingangsspannung von 12 V betrieben wird, weist im Allgemeinen höhere Schaltverluste auf als ein VRM mit niedrigerer Eingangsspannung. Der geringere Eingangsstrom kann jedoch die Leitungsverluste in Teilen des Leistungspfads reduzieren. Die Berechnung des Wirkungsgrades für dauerhaft hohe AI-Lasten erfordert daher eine genauere Prüfung der Datenblätter des Wandlers unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lasten und der Schwankungen der Busspannung. Ein weiterer Aspekt ist die Buskapazität für die Überbrückung von Lastspitzen. Bei gleicher gespeicherter Energie und proportionaler Spannungsänderung benötigt ein 13,5-V-Bus etwa ein Viertel der Kapazität, die bei 6,75 V erforderlich ist. Die Reduzierung des physikalischen Kondensatorvolumens hängt jedoch von der Nennspannung, dem ESR-Wert und den Anforderungen an den Restwelligkeitsstrom ab.
Bei Lastsprüngen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen rücken thermische Aspekte in den Vordergrund. Busumrichter und Spannungsregler (VRMs) weisen Dauer- und Impulsleistung auf, die von der eingesetzten Kühlung, der Umgebungstemperatur sowie Amplitude, Dauer und Tastverhältnis der Lastsprünge abhängen. Wird eine Lastspitze zu schnell wiederholt, hat der Umrichter nicht unbedingt genügend Zeit, zwischen den Lastsprüngen das thermische Gleichgewicht wiederzuerlangen. Er beginnt daher jeden nachfolgenden Lastsprung mit einer höheren Innentemperatur, was potenziell zu einer thermischen Abschaltung führen kann. In KI-Servern wird jedoch typischerweise eine Flüssigkeitskühlung für die Prozessoren eingesetzt, die unter Umständen auch zur effizienten Kühlung der VRMs und Busumrichter zur Verfügung steht.
Den passenden Flex BMR-Bauteil finden
Während der Trend aufgrund ihrer hohen Effizienz und geringen Größe zu nicht-isolierten, ungeregelten Busumrichtern geht, sind auch isolierte, geregelte Versionen erhältlich: die Durchsteckmontage BMR491, Das Modell liefert eine Dauerleistung von bis zu 1,54 kW und eine Spitzenleistung von 2,45 kW. Es verfügt über ein Hybrid-Regelungskonzept, bei dem die Ausgangsleistung unterhalb eines definierten Schwellenwerts dem Eingangsspannungsverhältnis folgt und oberhalb dieses Schwellenwerts geregelt wird. Dadurch bleibt die Ausgangsleistung in einem engeren Bereich, sodass der nachgeschaltete Spannungsregler mit maximaler Effizienz arbeiten kann.
Verbindung zu 800 V-Klasse-Architekturen
Die Umstellung auf Gleichstromverteilung der 800-V-Klasse wird 50-V-Eingangs-IBCs nicht sofort überflüssig machen. Ein Übergangsansatz sieht vor, die Hochspannung am oder in der Nähe des Racks auf 50 V herunterzuregeln, wo etablierte ungeregelte IBCs die für nachgeschaltete VRMs benötigten Zwischenschienen erzeugen. Längerfristig könnten Umrichter mit höherem Übersetzungsverhältnis 12,5 V oder sogar 6,25 V direkt aus dem 800-V-Bus erzeugen und so die 50-V-Stufe eliminieren. Flex plant, den BMR720 noch in diesem Jahr für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanwendungen (HGÜ) in IBCs vorzustellen.
Für die Leistungswandlungsoptionen, mit denen Ingenieure heute schon konfrontiert sind, Flex Power Designer Energieingenieuren bietet diese Simulationssoftware einen schnellen Überblick über das voraussichtliche Verhalten verschiedener Module innerhalb eines Systems. Sie ermöglicht die zügige Entwicklung und Bewertung unterschiedlicher Stromverteilungskonfigurationen für ein optimiertes System und ein dauerhaftes, reibungsloses und effizientes Zusammenspiel von Stromversorgungs- und Datenverarbeitungshardware.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl der richtigen IBC-Architektur für KI-Rechenzentren nicht mehr allein von der maximalen Leistungsdichte abhängt. Vielmehr erfordert sie eine systemweite Betrachtung des Arbeitslastverhaltens, der Busspannung, des Einschwingverhaltens, des thermischen Designs, des Wirkungsgrads über alle Betriebspunkte hinweg sowie der zukünftigen Migration zu Hochspannungsverteilung. Durch die Kombination bewährter 48/54-V-Busumrichterplattformen mit neuen HGÜ-Lösungen und Simulationswerkzeugen können diese Abwägungen frühzeitig bewertet werden. Dies erleichtert die Entwicklung von Stromversorgungsarchitekturen, die den dauerhaften und dynamischen Anforderungen der KI-Infrastruktur der nächsten Generation gerecht werden.
