Stromqualität: Das unsichtbare Phänomen hinter einigen der größten Herausforderungen für Rechenzentren

Eigenschaften und Konsequenzen der Stromqualität

Die Stromqualität bezeichnet die Zuverlässigkeit, Stabilität und Sauberkeit der Stromversorgung des Rechenzentrums. Rechenintensive, zeitkritische KI-Verarbeitung und -Inferenzierung sind besonders anfällig für Stromanomalien wie Spannungsschwankungen, Frequenzabweichungen, Oberschwingungen, Ausfälle und vorübergehende (einmalige) Ereignisse. Die Folgen können unmittelbar und schwerwiegend sein.

Das Netz wurde nicht dafür gebaut

Stromnetze wurden so konzipiert, dass sie typische Angebots- und Nachfragezyklen bewältigen, Spitzen und Täler ausgleichen und sich an Unregelmäßigkeiten anpassen. In den meisten Fällen gelingt ihnen dies gut, obwohl die Umwandlung von Energie in nutzbaren Strom und dessen zuverlässige Bereitstellung eine komplexe Aufgabe ist.

Das Rechenzentrum vs. die gemeinsam genutzte Ressource

Wenn es um den Stromverbrauch von Rechenzentren im KI-Zeitalter geht, denken Sie einmal so: Jedes Mal, wenn Sie einen Schalter umlegen, wird der Energiefluss unterbrochen. An. Aus. An. Aus.

Im Grunde ist das die Aufgabe eines Mikrochips. Die heutigen fortschrittlichen Versionen schalten den Strom jedoch Milliarden Mal pro Sekunde ein und aus und verbrauchen dabei enorm viel Strom. Wenn man bedenkt, dass in einem einzigen Hyperscale-Rechenzentrum Millionen von GPUs, CPUs, NPUs und TPUs zum Einsatz kommen können, wird deutlich, mit welcher Herausforderung die Versorgungsunternehmen konfrontiert sind.

Warum? Weil ein Stromnetz eine gemeinsame Ressource ist. Versorgungsingenieure planen und warten es unter Berücksichtigung dreier technischer Aspekte: Stromqualität, Zuverlässigkeit und das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage. Sie tun dies im Interesse aller, die das Netz nutzen – von Familien und Kleinunternehmern bis hin zu riesigen Technologiezentren und großen Produktionsanlagen. Störungen, die von einem einzelnen verursacht werden, wirken sich auf alle aus.

„Schmutziger“ Strom: Ist das Rechenzentrum der Übeltäter?

Kurze Antwort: Ja, manchmal. Im Allgemeinen folgt die Spannung einer rollenden Welle, die durch gleichmäßige, periodische Schwingungen gekennzeichnet ist – eine Sinuswelle, wie sie durch die grüne Linie in Abbildung 1 dargestellt wird. Die Mitte der 1990er Jahre eingeführten internationalen Standards für stationäre Lasten, die Oberschwingungsströme, Spannungsflimmern und andere Faktoren regeln, haben sich für Rechenzentrumsbetreiber als nützlich erwiesen. Einige haben sogar zusätzliche, strengere Standards für ihre eigenen Anlagen festgelegt.

Wird das gesamte Chaos nicht ausreichend gefiltert, kann es in das Stromnetz zurückfließen und nicht nur die Stromversorgung des Rechenzentrums, sondern auch die aller anderen Netznutzer stören. Probleme mit der Stromqualität können empfindliche Geräte in Krankenhäusern, Fabriken, Telekommunikationsnetzen und anderswo beschädigen. Transformatoren können ausfallen und ganze Bereiche vom Stromnetz trennen.

„Schmutziger“ Strom mit Oberschwingungen, Spannungsverzerrungen, Transienten, Ungleichgewichten und anderen Unregelmäßigkeiten erhöht zudem den Energieverlust, da Stromerzeugung und -übertragung weniger effizient werden. Da Oberschwingungen die Wärmeentwicklung in elektrischen Geräten erhöhen, wirken sich Kaskadeneffekte erheblich auf die Energieeffizienz (PUE) von Rechenzentren aus: Der Energieverlust steigt, die Energieeffizienz sinkt, der Bedarf an zusätzlicher Kühlung steigt und der Stromverbrauch sprunghaft an.

Abbildung 1. Harmonische Verzerrung.

Echte Beispiele – und eine neue Lösung für Subharmonische

Während KI-zentrierte Rechenzentren noch in der Minderheit sind, prognostiziert McKinsey and Company, dass bis 2030 etwa 70 Prozent der neuen Rechenzentrumskapazität wird für die Unterstützung fortgeschrittener KI-Workloads ausgelegt sein. Außerdem 74 Prozent der Colocation-Anbieter Laut einer Umfrage des Uptime Institute investieren Unternehmen bereits in Infrastruktur-Upgrades, um den KI-Anforderungen ihrer Kunden gerecht zu werden. Die Nachfrage nach KI- und HPC-Anwendungen eröffnet neue Möglichkeiten, zwingt Rechenzentrumsbetreiber aber auch dazu, angesichts neuer Herausforderungen eine Pause einzulegen.

So teilte uns beispielsweise ein Hyperscaler mit, dass der Ausbau seines Rechenzentrums im Umkreis von 320 Kilometern zu Stromausfällen führen könne. Zum Vergleich: Wäre das Rechenzentrum in Paris gestanden, wäre es sogar in Brüssel und den Außenbezirken Londons zu spüren gewesen [Abbildung 2]. Ein anderer Anbieter erklärte, er werde in diesem Jahr genügend Generatoren kaufen, um Chicago mit 2,7 Millionen Einwohnern mit Strom zu versorgen.

Wir arbeiten mit unseren Hyperscaler-Kunden zusammen, um Lösungen zu entwickeln, die viele der Herausforderungen des KI/HPC-Computings bewältigen. Eine dieser Lösungen ist unser bahnbrechendes Kapazitives Energiespeichersystem (CESS)Diese neue Technologie unterstützt und gleicht Stromversorgungen bei großen Leistungstransienten (Spannungs- oder Stromstößen) aus, die durch plötzliche Änderungen der elektrischen Last verursacht werden.

Abbildung 2. Ein Radius von 200 Meilen um Paris, Frankreich.

Bei Tests stellten wir fest, dass Oberschwingungsprobleme bei KI-Workloads zwar durch verschiedene Ansätze gemildert werden können, Subharmonische jedoch erhebliche Probleme verursachen – nicht aufgrund des Stromsystems, sondern weil die Lastwellenform durch die Stromversorgung reflektiert wird. Subharmonische sind Schwingungen mit Frequenzen, die einen Bruchteil der Grundfrequenz ausmachen, und werden durch Lastpulse verstärkt. Das mag zwar harmlos klingen, aber Subharmonische können nicht nur die Stromqualität beeinträchtigen und Probleme mit lokalen Generatoren verursachen, sondern auch DC/DC-Wandler destabilisieren, Überhitzung verursachen und zu vorzeitigen Geräteausfällen führen – und Stromversorgungslösungen wie aktive Oberschwingungsfilter, Oberschwingungsminderungstransformatoren und USV-Systeme lösen diese Probleme nicht.

Abbildung 3. Analyse der Oberschwingungen der Eingangsleistung – 0,1 Hz Impuls/Einschaltdauer = 20%.

Flex CESS wirkt den Subharmonischen entgegen, ohne den Strom- und Kühlungsbedarf zu erhöhen oder die Lebensdauer der Chips zu verkürzen, auf denen die KI-/HPC-Workloads laufen [Abbildung 3]. Dies löst nicht nur die eingangs erwähnten Probleme mit der Stromqualität und -zuverlässigkeit im Rechenzentrum, sondern verhindert auch, dass die Subharmonischen das Stromnetz selbst negativ beeinflussen.

Flex arbeitet außerdem mit Comsys zusammen und nutzt dessen ADF-Portfolio an aktiven dynamischen Lösungen, um die Stromversorgung von Rechenzentren zu überwachen und elektrische Unvollkommenheiten tausende Male pro Sekunde auszugleichen, um Spannungsstörungen zu reduzieren und das Netz zu stabilisieren.

Aufräumen zum Hochfahren

Betreiber, die KI/HPC-Workloads ausführen, müssen Wege finden, dies zu tun, ohne die Stromversorgung für alle anderen zu destabilisieren. Versorgungsunternehmen aktualisieren ihre Verbindungsregeln, da die Auslastung der Rechenzentren zunimmt. Einige verlangen sogar die Vorlage validierter LastmodelleDie US-amerikanische Federal Energy Regulatory Commission nimmt genau unter die Lupe Co-Location-Vereinbarungen zur direkten Stromversorgung.

Angesichts der zunehmenden Rechenleistung und der wachsenden Zahl von Rechenzentren gilt: Vorsicht ist besser als Nachsicht. Generell ist das Stromnetz die Empfängerseite von schmutzigem Strom. Ist die Netzinfrastruktur veraltet oder überlastet, können Störungen auf die Quelle und andere Nutzer zurückwirken. Dies stellt nicht nur ein finanzielles und betriebliches Risiko dar, sondern auch ein Reputationsrisiko.

Herausforderungen auf Systemebene mit Lösungen auf Systemebene lösen

Hohe Stromqualität ist ein unbesungener Held – wenn sie gut ist, funktioniert alles einfach. Das Licht geht an. Die Maschinen laufen. Doch sobald die Stromqualität nachlässt, häufen sich die Folgen. Sie können sich heimlich zeigen, wie etwa durch Oberschwingungen, die unentdeckt bleiben, aber scheinbar mysteriöse Geräteausfälle weit entfernt von der Quelle verursachen. Sie können sich durch einen Spannungsabfall oder einen durchgebrannten Transformator deutlich bemerkbar machen und den Betrieb sofort (und manchmal unwiderruflich) unterbrechen. Sie können sich als gut informiertes, proaktives Versorgungsunternehmen zeigen, das versucht, die Bedürfnisse aller Beteiligten in Einklang zu bringen.

Die Stromqualität ist ein systemweites Problem, das systemweite Lösungen erfordert. Flex arbeitet eng mit führenden Chipherstellern und Rechenzentrumskunden zusammen, um erwartete Herausforderungen der Stromqualität proaktiv im Einklang mit Produkt-Roadmaps und sich ändernden Architekturen zu bewältigen. Mit einer umfassenden Palette an kritischen und eingebetteten Stromversorgungsprodukten sowie Direct-to-Chip-Kühllösungen erstreckt sich unser einzigartiger Blickwinkel vom Netz bis zum Chip und bietet unseren Kunden wertvolle Einblicke, die umfassende Lösungen für komplexe Probleme ermöglichen.