Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

1. Einleitung – Herausforderungen der Stromversorgung in modernen AI-Servern

Die Nachfrage nach Rechenleistung in Rechenzentren wächst rasant, getrieben durch großangelegte Trainings- und Inferenzaufgaben. Hochmoderne Beschleunigerkarten wie NVIDIAs H200 Tensor Core GPU bieten enorme Leistung, stellen Serverdesigner jedoch vor erhebliche Herausforderungen in der Stromversorgung.

Die H200 GPU kann bis zu 700 W Leistung ziehen, deutlich mehr als frühere Generationen. Diese hohe Leistungsdichte erfordert nicht nur Verbesserungen in der Serverarchitektur, sondern auch auf Komponentenebene — insbesondere innerhalb des Power Delivery Networks (PDN), das Spannungsregler (VRMs) und die GPU-Kerne versorgt.

2. Stromversorgungsprobleme auf GPU-Ebene

Moderne AI-Beschleuniger wie die H200 verursachen drei zentrale Herausforderungen:

2.1 Extreme Transientenlasten

• GPUs wechseln sehr schnell zwischen Leerlauf und Spitzenlast.
• Dies führt zu sofortigen Stromsprünge von mehreren Hundert bis Tausend Ampere.
• Wenn das PDN nicht schnell genug reagiert, kommt es zu Spannungseinbrüchen, die Leistung mindern oder Rechenfehler verursachen.

Kondensatoren liefern in solchen Momenten den notwendigen Strom, noch bevor der VRM reagieren kann.

2.2 Hohe thermische Belastung und Dauerbetrieb

• Der Dauerbetrieb bei hohen Strömen führt zu erhöhten Temperaturen (typisch 85–105 °C).
• Komponenten — einschließlich Kondensatoren — müssen stabile Leistung unter Hitze und Dauerbelastung gewährleisten.

Hochwertige Kondensatoren verhindern Ausfälle und erhöhen die Lebensdauer von Servern im Enterprise- oder Cloud-Einsatz.

2.3 Platzbeschränkungen auf der Leiterplatte

• AI-Serverkarten sind sehr dicht bestückt: GPU, HBM-Speicher, VRMs und Stromverbindungen konkurrieren um Platz.
• Dies begrenzt den Raum für Entkopplungs- und Energiespeicherkomponenten.

Deshalb setzen Hersteller auf hochwertige, platzsparende Kondensatoren, die hohe Kapazität und geringe Verluste bei kleinem Formfaktor bieten.

3. Kondensatoren als entscheidende PDN-Komponenten

Kondensatoren übernehmen in der Stromversorgung mehrere wichtige Rollen:

3.1 Unterstützung bei Transientenlasten

• Sie fungieren als lokale Energiespeicher, liefern sofort Strom bei abrupten Laständerungen.

3.2 Glättung von Spannung und Rauschen

• Kondensatoren filtern hochfrequentes Rauschen und reduzieren Spannungsschwankungen.
• Dies sorgt für stabile Spannungen im Millivolt-Bereich, wie sie moderne GPUs benötigen.

3.3 Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit

• Hochwertige Kondensatoren behalten ihre Kapazität und niedrigen ESR-Werte über tausende Betriebsstunden bei, erhöhen somit die Systemstabilität und MTBF (Mean Time Between Failures).

4. Mehrstufige Kondensator-Strategie

Kein einzelner Kondensatortyp erfüllt alle Anforderungen. Typischerweise wird ein gestaffeltes System eingesetzt:

• Bulk-Speicherung am PSU-Eingang
• Verteilte Entkopplung nahe VRMs
• Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren nahe GPU und On-Die-Stromversorgung

Dieses Konzept gewährleistet stabile Versorgung über unterschiedliche Frequenzen und Lastzeiten.

5. Bedeutung für NVIDIA DGX H200 Server

Server wie NVIDIA DGX H200 ziehen leicht über 10 kW Gesamtleistung.

• Die Systemzuverlässigkeit hängt nicht nur von der GPU ab.
• Sie wird zunehmend durch die Fähigkeit des PDN bestimmt, kontinuierlich sauberen und stabilen Strom zu liefern.

Schon kurzzeitige Instabilität kann Rechenfehler, Neustarts oder reduzierte Lebensdauer der Komponenten verursachen.

6. Technische Anforderungen an Kondensatoren im AI-PDN

AnforderungBedeutungHohe KapazitätsdichtePuffer für TransientenströmeNiedriger ESR/ESLReduziert Leistungsverlust und WärmeHohe TemperaturbeständigkeitLange Lebensdauer bei DauerbetriebKompakte BauformPasst in dichte Server-PCBsRobuste Ripple-ToleranzUnterdrückt Störungen im PDN

Solche Kondensatoren entlasten VRMs, verteilen Energie gleichmäßig und erhöhen die Server-Zuverlässigkeit.

7. Fazit — Kondensatoren als Grundlage für AI-Server-Zuverlässigkeit

In modernen AI-Servern sind Kondensatoren keine passiven Bauteile mehr. Sie sind:

• Grundlegend für stabile Spannungsversorgung bei Hochleistungs-GPUs
• Entscheidend zur Glättung von Transienten, die das Netzteil nicht schnell genug abfangen kann
• Wesentlich für langlebigen, hochbelasteten Dauerbetrieb
• Effizienzsichernd durch Minimierung von Verlusten und Kühlungsbedarf

Mit steigenden Leistungsanforderungen und höherer Rack-Leistungsdichte wird die stabile Stromversorgung durch hochwertige Kondensatoren genauso wichtig wie die Rechenleistung selbst.

Quellenlink: https://www.ymin.cn/news/providing-stable-power-for-nvidia-h200-how-capacitors-define-the-reliability-of-next-generation-ai-servers/

Autor: Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd. （https://www.ymin.cn/)

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