Wie Sie sicherlich wissen, bezeichnet ‘Cloud’ den gesamten Code, der auf Computern in Rechenzentren und Serverfarmen ausgeführt wird. Ob Verbraucher ihre Fotos in iCloud oder Google Drive speichern oder Unternehmen ihre gehosteten Systeme betreiben – jemand muss das Rechenzentrum verwalten, das den Dienst bereitstellt. Doch was bedeutet der aktuelle Boom im Cloud Computing für die Stromversorgung und die Stromumwandlungssysteme in all diesen Rechenzentren?
Der Energiebedarf steigt
Laut Gartner hat sich Cloud Computing zum ‘neuen Standard’ entwickelt, wobei die COVID-19-Pandemie diesem Trend zusätzlichen Auftrieb verliehen hat. Die Ausgaben von Endkundenunternehmen für öffentliche Cloud-Dienste werden sich im Jahr 2021 voraussichtlich auf insgesamt 135 Billionen US-Dollar belaufen.[1]. IDC nennt ähnliche Zahlen mit einer jährlichen Wachstumsrate von 24.100.340.000. Die Rechenzentren, die diese Dienste anbieten, sind in der Regel rund um die Uhr in Betrieb, und die Nutzer erwarten, dass sie jederzeit verfügbar sind.
Gleichzeitig nehmen die Sicherheitsbedrohungen weiter zu – was einen erhöhten Bedarf an proaktivem, permanentem Schutz sowie an schnell verfügbaren Backups zur Folge hat. Der Betrieb von Antiviren- und Bedrohungsschutzsoftware sowie die Verschlüsselung und Entschlüsselung erhöhen die Serverlast zusätzlich.
Für große Anbieter wie Amazon Web Services und Microsoft ist die Minimierung von Ausfallzeiten ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. In der Praxis bedeutet dies häufig den Betrieb von zwei Rechenzentren in einer ‘Aktiv-Aktiv’-Konfiguration, wobei die Backup-Systeme sofort einsatzbereit sind, falls es am Hauptstandort zu Problemen kommt, oder sogar den Umstieg auf eine Drei-Rechenzentrum-Topologie.[2].
Die Leistungsfähigkeit von Servern und Speichern in Rechenzentren steigt, und es besteht Bedarf an kompakteren Systemen, die den Platzbedarf und damit die Kosten reduzieren. Dieser Trend zu kleineren, dichteren IT-Systemen erfordert, dass auch die Stromversorgungssysteme so kompakt wie möglich sind – bei gleichzeitig maximaler Effizienz, um Strom- und Kühlkosten zu senken.
Tatsächlich ist der Gesamtstromverbrauch von Rechenzentren in den letzten Jahren weitgehend konstant geblieben, da Effizienzsteigerungen die Leistungssteigerungen ausgeglichen haben. So hat beispielsweise die Virtualisierung dazu geführt, dass CPU, Arbeitsspeicher und Speicherplatz deutlich effizienter genutzt werden und weniger Energie für ungenutzte Geräte verschwendet wird. Schätzungen zufolge verbrauchen Rechenzentren bis zu 12 Lakhs (134 Tonnen) des britischen Stroms.[3], Die globale Zahl wird oft auf etwa 1 bis 2 % geschätzt – mit einem entsprechend enormen CO₂-Problem.2 -Emissionen.
Abbildung 1: Moderne Rechenzentrumsracks
Architekturen von Stromversorgungssystemen
Wir haben festgestellt, dass Stromversorgungssysteme höhere Leistungsabgaben liefern müssen, gleichzeitig aber den benötigten Platz minimieren und ihre Effizienz steigern müssen.
Anbieter von Stromversorgungssystemen haben verschiedene Ansätze verfolgt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Traditionelle Architekturen für die Stromversorgung von Rechenzentren versorgten jedes Blade in einem Rack mit einer individuellen Wechselstromversorgung, wo der Strom lokal für jede Last umgewandelt wurde. Ein neuer Trend geht jedoch dahin, die AC/DC-Wandlung zentral durchzuführen, beispielsweise mit nur einem Wandlersystem pro Rack. Der resultierende Gleichstrom wird dann an jedes Blade verteilt.
Mit dem steigenden Gesamtstrombedarf von Racks geht auch ein Trend von 12 V DC auf 48 V DC-Stromverteilung einher. Durch die Vervierfachung der Spannung lässt sich der Strombedarf für die gleiche Leistung entsprechend senken, wodurch die Verluste um den Faktor 16 reduziert und der Einsatz großer, teurer Stromkabel vermieden wird.
Die 48-V-Gleichstromversorgung einer Platine wird häufig zunächst mittels eines Zwischenkreisumrichters (IBC) auf 12 V und anschließend mittels eines lokalen Lastumrichters (PoL) auf die für die einzelnen Komponenten benötigte Niederspannung umgewandelt. Diese zweistufige Architektur bietet einen hohen Wirkungsgrad und kann bei Bedarf hohe Ströme liefern oder umgekehrt in einem kostengünstigen System niedrige Ströme bereitstellen.
Ein anderer Ansatz, die sogenannte Direktwandlung, nutzt eine einzige Stufe, um die 48-V-Versorgungsspannung direkt in die für eine Last benötigte niedrige Spannung umzuwandeln, die durchaus 2 V oder weniger betragen kann. Indem die Versorgungsspannung bis zur Last auf den höheren 48 V gehalten wird, ist dies hilfreich, wenn hohe Ströme benötigt werden, beispielsweise für High-End-Prozessoren, ASICs und FPGAs. Ob zweistufig oder direkt – moderne DC/DC-Wandler verfügen typischerweise über eine ausgefeilte digitale Steuerung, beispielsweise über den Industriestandard PMBus.
Neue Leistungsgeräte in der Praxis
Betrachten wir ein Beispielgerät: das BMR492 Aus der Reihe der Flex-Leistungsmodule. Dies ist ein Hochleistungs-DC/DC-Wandler, der für Rechenzentrumsanwendungen entwickelt wurde und eine Ausgangsspannung von 12 V aus einer nominalen Eingangsspannung von 48 V liefert. Er kann kurzzeitig eine Spitzenleistung von bis zu 1100 W für maximal eine Sekunde bereitstellen und eignet sich daher ideal für den kurzzeitigen Leistungsbedarf moderner CPUs im Burst-Modus. Zudem erreicht er einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 97,4 % (%).
Diese Zahlen sind zwar beeindruckend, doch der entscheidende Fortschritt des BMR492 liegt darin, diese Ergebnisse in einem kompakten Gehäuse zu erzielen. Tatsächlich nutzt er das branchenübliche ‘Acht-Brick’-Format (mit Abmessungen von nur 58,4 x 22,7 x 13,2 mm) und bietet eine Leistung und Performance, die bisher nur mit größeren Quarter-Brick-Geräten möglich waren.
Abbildung 2: BMR474
Ein Ansatz für den nachgelagerten Point of Load (PoL) besteht darin, ein kompaktes, vertikal montiertes SIP-Format (Single Inline Package) zu verwenden, das den Platzbedarf auf der Leiterplatte minimiert. Zum Beispiel BMR474 Das Leistungsmodul Flex ist ein digitaler PoL-DC/DC-Wandler, der bei einer Eingangsspannung von 6 V bis 15 V eine Ausgangsspannung zwischen 0,6 V und 3,3 V liefert. Der Wirkungsgrad beträgt 95,1 % (% bei Volllast, 12 V Eingangsspannung, 3,3 V Ausgangsspannung).
Dank seiner vertikalen SIP-Montagekonstruktion benötigt der BMR474 nur eine kleine Stellfläche von 2,84 cm².2, Dadurch wird nur minimaler Platz auf der Platine benötigt. Dennoch liefert es bis zu 80 A Ausgangsstrom, um den Anforderungen typischer Rechenzentrumslasten gerecht zu werden.
Abbildung 3: Beispielhafte Screenshots aus dem Flex Power Designer
Neben ihren hervorragenden elektrischen Spezifikationen bieten die BMR492 und BMR474 ein überlegenes thermisches Verhalten mit Optionen für Wärmeleitungs- oder Konvektionskühlung sowie einen robusten Übertemperaturschutz. Entwicklungsingenieure können die elektrische und thermische Leistung optimieren, indem sie Flex Power Designer (FPD), ein kostenloses Softwaretool.
Abschluss
Die Leistungsfähigkeit von Rechenzentren steigt, gleichzeitig werden die Systeme jedoch immer kompakter, während der Bedarf an permanentem Betrieb (24/7) und wachsende Sicherheitsbedrohungen neue Herausforderungen mit sich bringen. Gleichzeitig steigt der Druck auf den Stromverbrauch.
Für Ingenieure im Bereich der Energiesystemplanung mag dies zunächst eine unüberwindbare Hürde darstellen. Doch neue Architekturen und Komponenten stehen bereit, um diese Herausforderungen zu meistern und so unseren stetig wachsenden Bedarf an Cloud-Diensten zu decken.