Broschüre
Stromversorgung von Rechenzentren – vom Stromnetz bis zum Chip
Die hohen Taktraten moderner CPUs und GPUs ermöglichen rechenintensive Aufgaben wie KI und Gaming. Dies hat jedoch seinen Preis: Jeder Taktimpuls erzeugt einen kurzzeitigen Anstieg des Stromverbrauchs des Chips. Höhere Taktraten bedeuten mehr solcher Impulse pro Sekunde und einen höheren Durchschnittswert. Um den Stromverbrauch zu minimieren, werden die Versorgungsspannungen so niedrig wie möglich gehalten. Dies geht jedoch auf Kosten der Geschwindigkeit: Niedrigere Versorgungsspannungen verlangsamen die Anstiegsgeschwindigkeit der Logikschaltungen und begrenzen so die maximal erreichbare Geschwindigkeit.
Das Problem der Taktfrequenzsteuerung für optimale Leistung besteht seit den Anfängen der Computertechnik. Als der ursprüngliche 8086-Prozessor mit 4,77 MHz von schnelleren CPUs abgelöst wurde, musste ein ‘Turbo’-Knopf eingeführt werden, um die Taktfrequenz zu reduzieren und so die Kompatibilität mit älterer Software zu gewährleisten. Heute wird die Taktfrequenz dynamisch angepasst, vor allem für maximale Leistung und optimale Wärmeableitung. Ausgefeilte Algorithmen überwachen die Auslastung, die Anzahl der aktiven Kerne, die Prozessortemperatur und schätzen den tatsächlichen Stromverbrauch. Die Versorgungsspannung ist nicht mehr zwingend fest, sondern kann mithilfe von ‘Dynamic Voltage Scaling’ (DVS) vom Prozessor gesteuert werden, um eine optimale Kombination aus Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme zu erzielen, ohne kritische Chiptemperaturen zu überschreiten. Prozessorhersteller definieren die ‘Thermal Design Power’ (TDP) als die maximale Leistung, die mit einer bestimmten Kühlvorrichtung kontinuierlich abgeführt werden kann, und die ‘Average CPU Power’ (ACP) als eine Schätzung des Verbrauchs unter realen Bedingungen. Die TDP ist typischerweise 50% höher als die ACP, der Spitzenleistungsbedarf kann jedoch für kürzere Zeiträume noch einmal 50% höher liegen. Während dieser Spitzenwerte können die Chiptemperaturen die absoluten Maximalwerte überschreiten. Daher ist der Zeitraum auf deutlich weniger als eine Sekunde begrenzt, und die Wiederholungsrate wird kontrolliert, um die Temperaturen im zulässigen Bereich zu halten.
Ziel des Stromversorgungsmanagements für Prozessoren ist die Maximierung der Leistung für den Endnutzer. Energieeinsparungen und Systemkosten spielen dabei ebenfalls eine wichtige Rolle. Der Stromverbrauch von Rechenzentren ist in letzter Zeit aufgrund des zunehmenden Videostreamings und der Konferenznutzung, sozialer Netzwerke, KI, maschinellem Lernen und des Internets der Dinge (IoT) stark angestiegen. Dieser Trend wird sich voraussichtlich noch beschleunigen, da die Echtzeitdaten in der globalen ‘Datensphäre’ bis 2025 um das Zehnfache gegenüber dem Niveau von 2018 auf 51 Zettabyte ansteigen werden [1]. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass der Energieverbrauch von Rechenzentren im Jahr 2020 etwa 11.340 Tsd. des globalen Angebots bzw. 200–250 TWh betrug. Heute dürfte dieser Wert doppelt so hoch sein und weiter steigen. Vor diesem Hintergrund und da das Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittslast aufgrund der Optimierungsbemühungen ebenfalls zunimmt, steigen auch der Umfang und die Kosten der Stromversorgungs- und -verteilungssysteme in Rechenzentren rasant an. Dieser Anstieg ist möglicherweise unverhältnismäßig, wenn das Stromversorgungssystem dauerhaft für die Spitzenlast ausgelegt sein muss, was eine erhebliche finanzielle und räumliche Belastung darstellt.
Stromrichter mit Überspannungsfestigkeit mindern Probleme
Eine Strategie zur Risikominderung besteht darin, Stromrichter einzusetzen, die für den durchschnittlichen Dauerlastbedarf ausgelegt sind, aber auch kurzzeitig Spitzen- oder Stoßleistung liefern können. Stromrichter haben, ähnlich wie Prozessoren, eine durch die maximale Innentemperatur festgelegte thermische Verlustleistung (TDP). Sie können jedoch so ausgelegt werden, dass sie je nach Anlauftemperatur kurzzeitig mehr Leistung abgeben können. Bei dieser Strategie muss jede nachfolgende Stromwandlungsstufe – von den Lastpunktwandlern über die Buswandler bis hin zu den AC/DC-Wandlern und der Leistungsfaktorkorrektur – eine ähnliche Stoßleistungskapazität aufweisen. Bei den niedrigen Prozessorspannungen und selbst bei Zwischenbusspannungen von 5 V oder 12 V ist der Einsatz kapazitiver Energiespeicher zur Deckung des erforderlichen Spitzenbedarfs aufgrund der Baugröße nicht praktikabel.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Umrichter physisch kleiner und kostengünstiger sein können und für optimale Effizienz bei durchschnittlicher Lastleistung und somit für minimale Gesamtverluste über die Zeit ausgewählt werden können. Die Auslegung von Umrichtern mit Spitzenleistung ist jedoch anspruchsvoller – interne Hotspots müssen während Lastspitzen präzise identifiziert und überwacht werden, um sicherzustellen, dass sie die Grenzwerte nicht überschreiten und die Zuverlässigkeit der Bauteile nicht beeinträchtigen. Zudem muss eine unabhängige Übertemperaturabschaltung integriert werden, um Fehlerzustände abzudecken, insbesondere solche, die von Sicherheitsbehörden in Tests absichtlich herbeigeführt werden, bei denen die ungünstigste Kombination aus Eingangsspannung, Ausgangsstrom und Umgebungstemperatur untersucht wird. Die digitale Steuerung und Überwachung von Umrichtern, insbesondere von PoLs mit Spitzenleistung, ist ideal, um die dynamische Spannungsskalierung zu ermöglichen und gleichzeitig Strom- und Temperaturmesswerte an einen Leistungsmanagement-Controller oder den Prozessor zu übermitteln. Eine schnelle Lasttransientenreaktion der Umrichter ist ebenfalls wichtig, um die dynamische Spannungsskalierung optimal zu nutzen und die Ausgangsspannung während der Spitzenlast innerhalb der Spezifikationen zu halten.
Ein gutes Beispiel für einen Zwischenbuswandler mit hoher Stoßstromfestigkeit sind die Flex-Leistungsmodule. BMR491 Die Serie umfasst ein Viertel-Brick-Bauteil mit einer Dauerleistung von 1540 W, das kurzzeitig bis zu 2450 W liefern kann (siehe Abbildung). Die Eingangsspannung beträgt 48–60 V, die Ausgangsspannung 12 V bei einer Einschwingzeit von 300 µs. Ein PMBus® Die digitale Schnittstelle ermöglicht die notwendige Steuerung und Überwachung, unterstützt durch die Flex Power Designer Konfigurationssoftware.
Weitere Beispiele sind beispielsweise die BMR492 und BMR350 Serie.
Der Bus-Umrichter BMR491X208/857 des Leistungsmoduls Flex ist für eine Dauerleistung von 1540 W und eine Spitzenleistung von 2450 W ausgelegt.
Mit steigendem Datendurchsatz in Rechenzentren und immer ausgefeilteren Energiesparmethoden der Prozessoren muss auch das Stromversorgungssystem intelligent sein. Eine hohe Spitzenleistungsfähigkeit und umfassende digitale Steuerung machen dies praktikabel.
Referenz
