Optimierung des Strompfads vom Netz zum Chip

Anwendungen wie künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) werden zunehmend in die Gesellschaft integriert, maßgeblich ermöglicht durch das exponentielle Wachstum der Rechenleistung dank der neuesten Generation von Halbleitern und Rechenzentren. Der massive Ausbau energieintensiver, beschleunigter Rechenplattformen führt zu einem enormen Anstieg des Stromverbrauchs von Rechenzentren. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass der Energiebedarf von Rechenzentren im Jahr 2026 1.000 TWh übersteigen könnte – das entspricht dem gesamten Stromverbrauch von Kanada, Polen und Argentinien im Jahr 2023.

Stromversorgung des Rechenzentrums

Betreiber benötigen Zugang zu mehr Stromquellen und die Möglichkeit, mehr Strom aus dem Netz über die Anlage und die Racks bis hin zum Chip effizient zu verteilen. Gleichzeitig müssen die Investitionskosten für Computerhardware, Netzteile, Stromverteilung und Kühlsysteme sowie die Umweltbelastung und die Energiekosten minimiert werden. Rechenzentrumsbetreiber stehen unter Druck, ihre Investitionsrendite zu maximieren und sich durch Infrastrukturoptimierung Wettbewerbsvorteile zu sichern. Dies bedeutet, dass die elektrische und wirtschaftliche Effizienz der Stromumwandlung maximiert werden muss.

Die Architekturen von Stromversorgungssystemen unterliegen zahlreichen Einschränkungen. Beispielsweise erfordert der Trend zu niedrigeren Spannungen und höheren Strömen auf Chipebene, dass die letzte Wandlungsstufe sehr nah an der Last platziert wird. Dies minimiert Spannungsabfälle und Störungen durch Verbindungsinduktivitäten und ermöglicht die Bewältigung der höheren Anforderungen an die Lastwechselleistung moderner Prozessoren. Dadurch rückt die Leistungselektronik in unmittelbare Nähe der kW-Verlustleistung in den Prozessoren, was potenziell zu problematischer Querwärme in dem ohnehin schon beengten Raum führen kann.

Die Spannungswandlung der Spannungsreglermodule an den Prozessoren muss stufenweise über ein verteiltes Stromversorgungssystem erfolgen. Dieses System umfasst netzgekoppelte AC/DC-Wandler, Notstromsysteme und einen oder mehrere Zwischenspeicher mit zugehörigen Stromrichtern, die mit Spannungen arbeiten, welche die Ströme auf einem handhabbaren Niveau halten. Dadurch werden die Dimensionierung der Verbindungen, die Kosten, die Leistungsverluste und die Spannungsabfälle minimiert.

Kühlung und Isolierung

Zu den wichtigsten Designüberlegungen gehört die Integration der Stromrichter in die Kühlinfrastruktur des Rechenzentrums sowie die Entscheidung, ob und wo eine galvanische Trennung im Stromrichterstrang angesichts potenzieller Erdschleifen und Sicherheitsrisiken vorgesehen werden soll. Der Platzbedarf der Stromrichter und -verteiler im Rechenzentrum ist ein wichtiger Faktor. Die Platzierung der Geräte hängt maßgeblich von ihrem Kühlbedarf ab, der durch ihre elektrische Effizienz und Leistungsdichte bestimmt wird.

Abbildung: Flex Grid-to-Chip-Angebot

Die Stromverteilungstechnologien in Rechenzentren sind sehr vielfältig und reichen von Netztransformatoren und Schaltanlagen bis hin zu mechanischen Stromschienen und Hochfrequenz-DC/DC-Wandlern, die im MHz-Bereich arbeiten. Daher sind die jeweiligen Vor- und Nachteile oft schwer zu bewerten und teilweise subjektiv.

Ein Systemarchitekt könnte beispielsweise eine Stromverteilung mit 800 V befürworten._Gleichstrom statt 48V_Gleichstrom Um Ströme, Leistungsverluste und Spannungsabfälle zu reduzieren und den Einsatz kleinerer, kostengünstigerer Stromschienen und Kabel zu ermöglichen, würden Sicherheitsingenieure jedoch einwenden, dass nun Konformitätsanforderungen bei der höheren Spannung gelten würden, die mit zusätzlichen Kosten für Isolierung, Trennung und laufende Zertifizierung verbunden wären. Ingenieure und Techniker, die mit der höheren Spannung arbeiten, müssten über entsprechende Qualifikationen verfügen, um ihre eigene Sicherheit sowie die Sicherheit anderer Mitarbeiter und Nutzer des Rechenzentrums zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu liegen die Busspannungen bei 48 V._Gleichstrom Sie werden durch eine Vielzahl bestehender Produkte unterstützt, die mehrere Bezugsquellen und Kostenvorteile aufgrund von Skaleneffekten bieten. Zudem sind sie von Natur aus sicher, da sie unterhalb der Sicherheitskleinspannungsgrenzen liegen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Frage, ob die Zwischenkreisspannungen geregelt oder ungeregelt sein sollen. Moderne, isolierte, aber ungeregelte Schaltungen bieten zwar eine höhere Effizienz und Leistungsdichte, erfordern jedoch eine sorgfältige Auswahl der nachgeschalteten Wandler, um die Kompatibilität zu gewährleisten. Es gibt sogar Hybridregelungsoptionen, bei denen die Busspannung innerhalb vordefinierter Grenzen variieren darf und die aktive Regelung erst jenseits dieser Schwellenwerte eingreift. Dieser Ansatz bietet mehr Flexibilität für die nachgeschalteten Wandler bei gleichzeitig gleichbleibender Effizienz.

Ein ganzheitlicher Ansatz

Die Ermittlung der optimalen Lösung für die Stromwandlung und -verteilung zwischen Stromnetz und Chip erfordert einen ganzheitlichen Ansatz. Selbst die herkömmliche Strombaumstruktur ist möglicherweise nicht mehr geeignet, da die Grenzen zwischen den Stromwandlungselementen zunehmend verschwimmen. So sind beispielsweise DC/DC-Wandler heute elektrisch und thermisch eng mit Prozessoren integriert. Hierfür werden vertikale Stromversorgungstechnologien eingesetzt, die auf die individuellen Pinbelegungen der jeweiligen Prozessoren zugeschnitten sind.

Abbildung: BMR316

Werden Komponenten der Leistungswandlungskette von verschiedenen Herstellern bezogen, besteht ein erhebliches Risiko der Inkompatibilität. Da zudem jeder Anbieter seine eigene Technologie vermarktet, kann die Entwicklung einer ganzheitlichen Lösung eine Herausforderung darstellen. Ein Spezialist für Leistungswandlung, der die Verantwortung für die Optimierung von Kompatibilität, Kosten und Leistung übernimmt, bietet hier Vorteile und kann Beratung sowie langfristige Unterstützung leisten.

Einige Anbieter bieten ein umfassendes Portfolio an Produkten für die Stromversorgung und Kühlung von Rechenzentren, darunter DC/DC-Regler und Buswandler, sowie Lösungen für die AC/DC-Wandlung im Mittel- und Niederspannungsbereich, die Stromverteilung, kritische Notstromsysteme und die Kühlung auf Rack- und Chipebene. Sie bieten auch kundenspezifische Designs an, einschließlich vertikaler Stromversorgungskonfigurationen und Simulationstools zur Modellierung von Systemen vor der Implementierung. Umfassende Überwachung und Support gewährleisten zudem Leistung und Zuverlässigkeit.

Da der enorme Bedarf an Rechenzentrumsleistung weiterhin ungebrochen ist, müssen Rechenzentrumsbetreiber auf Unternehmen setzen, die über die nötige Erfahrung in den Bereichen Design, Produktentwicklung, Fertigung, Lieferkette, Systemintegration und offenes Ökosystem verfügen, um zusammenzuarbeiten und zu skalieren, Roadmaps zu unterstützen und sicherzustellen, dass Rechenzentrumserweiterungen und -kapazitäten zum benötigten Zeitpunkt verfügbar sind.

Wussten Sie?

Vertikale Stromversorgung im Fokus

Vertikale Kraftübertragung (VPD) trägt zur effizienten Energieverwaltung in Rechenzentren bei, indem es die Effizienz und Zuverlässigkeit steigert und Energieverluste deutlich reduziert.

Herkömmliche Methoden der seitlichen Stromversorgung führen oft zu erheblichen Verlustleistungen 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 geringere Nähe minimiert den Widerstand der Stromversorgungsebene, erhöht die Stromdichte und reduziert die Leistungsverluste drastisch. VPD-Designs, die direkte Verbindungen von der Unterseite zu Prozessoren und ASIC-Stromversorgungsanschlüssen ermöglichen, optimieren Effizienz und Leistung zusätzlich.

Flüssigkeitskühlung setzt sich immer stärker durch.

Während beschleunigte Rechenplattformen einen erhöhten Energiebedarf in Rechenzentren mit sich gebracht haben, stellt die von ihnen erzeugte Wärme eine enorme Herausforderung für Kühllösungen dar.

Die direkte Chipkühlung leitet die Wärme von Prozessoren an flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten ab. In Rechenzentren kann dieses Verfahren 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 aus Flex, nutzt ebenfalls die Mikrostrahltechnologie, die Hotspots präzise anvisiert, um die Kühlleistung auf Chipebene zu verbessern.

Kontinuierliche Stromversorgung gewährleisten

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 Rechenzentrumserweiterungsplänen vermeiden. Sie integrieren wesentliche Komponenten wie Transformatoren, Schaltanlagen und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme in eine kompakte, vorgetestete Baugruppe, die schnell installiert werden kann, um Ausfallzeiten zu minimieren.

Mit freundlicher Genehmigung von Elektronik-Wochenbericht.