Power-Tipp Sidecars: Die neuen Stromversorgungskonzepte für KI-Rechenzentren

Künstliche Intelligenz verändert nicht nur unseren Umgang mit Informationen und Daten. Auch bei den Stromversorgungskonzepten in KI-Rechenzentren ist ein grundlegendes Umdenken notwendig. Wir erklären, wie die neuen Sidecars funktionieren.

Moderne KI-Rechenzentren müssen eine enorme Rechenleistung erbringen, was eine entsprechend große elektrische Leistungsaufnahme zur Folge hat. Prognosen zufolge dürfte bis 2028 die Grenze von 1 MW überschritten werden. Die auf einer Sammelschienen-Spannung von 50 V basierenden Stromversorgungs-Konzepte früherer Rechenzentren können mit diesem großen Bedarf nicht mehr schritthalten, denn Stromstärken im Bereich von 20 kA sind nicht mehr sinnvoll beherrschbar.

Man setzt bei neuen IT-Server-Racks für KI-Anwendungen deshalb auf eine höhere Sammelschienen-Spannung von 800 V oder ±400 V DC, um die Stromstärke um eine ganze Größenordnung zu reduzieren. Bild 1 zeigt diese Architektur, die auf einem Sidecar basiert – einem Schrank also, der die Stromversorgung getrennt vom Server-Rack beherbergt.

Der Sidecar wandelt die Netzspannung von 480 V AC in die Busspannung von 800 V DC um und enthält zusätzlich auch die Stützbatterie, die bei einem Netzausfall die Stromversorgung bis zum Anspringen der Notstromaggregate übernimmt.

Wichtiger als die Stromverteilung ist jedoch eigentlich das Anheben der Rechendichte des IT-Serverracks. IT-Racks für KI-Anwendungen enthalten hunderte Prozessoren, um die notwendigen Berechnungen schnell zu verarbeiten. Diese Prozessoren müssen auf engstem Raum miteinander kommunizieren.

Stromwandlung aus dem IT-Rack ausgelagert

Das Auslagern des Großteils der Stromwandlung aus dem IT-Rack ermöglicht den Einsatz von mehr Prozessoren auf weniger Raum. Jedes IT-Tray im Rack wird jetzt mit der Busspannung von 800 V oder ±400 V DC versorgt und ein zwischengeschalteter Wandler im Tray setzt diese Spannung gemäß der jeweiligen Architektur in Spannungen von 48 V, 12 V oder 6 V um.

Diese Architektur verbessert die Effizienz der Stromverteilung und erhöht die Rechendichte im IT-Rack deutlich, benötigt aber im Gegenzug mehr Platz im IT-Bereich des Rechenzentrums. Der nächste Entwicklungsschritt besteht deshalb darin, die AC/DC-Wandlung aus dem IT-Bereich in einen eigenen Technikraum zu verlagern. Bild 2 skizziert dieses Konzept.

In Bild 2 beherbergt der Sidecar die Stützbatterie, während die AC/DC-Wandlung in einen Halbleitertransformator (Solid-State Transformer, SST) ausgelagert ist. Der Halbleitertransformator ersetzt sowohl die Mittelspannungs-Transformatoren als auch die Umwandlung in 800 V oder ±400 V DC. Zusätzlich übernimmt er auch die Leistungsfaktor-Korrektur, die Spannungsabsenkung und die Gleichrichtung in einer einzigen Leistungswandlungsstufe.

Die Notstromaggregate müssen deshalb jetzt am Mittelspannungsknoten oder über einen AC/DC-Wandler am Ausgang des SST angeschlossen werden. Unter dem Strich resultiert hieraus ein effizienteres Stromverteilungsnetz, das im IT-Bereich mehr Platz zur Steigerung der Rechenleistung schafft.

Die Leistungswandler-Funktionen

Ausgefeilte Leistungswandler-Funktionen werden in den neuen Stromversorgungs-Lösungen ebenso benötigt wie in früheren Generationen. Die Palette reicht von der Leistungsfaktor-Korrektur über die DC/DC-Wandlung in 800 V oder ±400 V DC, die Dioden-OR-Verknüpfung, die Stromverteilung, die Hot-Swap-Funktionalität und Schutzfunktionen sowie die Steuerung und Leistungsmessung.

Hochentwickelte Halbleiter sind der Schlüssel dafür, jeder dieser Funktionen ein Maximum an Leistung und Effizienz zu verleihen. Unter anderem werden diese Komponenten benötigt: Echtzeit-Mikrocontroller für die Leistungsfaktor-Korrektur und die Erzeugung der DC-Busspannungen, hocheffiziente Wide-Bandgap-Halbleiterschalter für LLC-Topologien und die Leistungsfaktor-Korrektur.

Darüber hinaus präzise Strom- und Spannungsmessbausteine für die Leistungsmessung sowie Steuerungs- und Schutzfunktionen und kompakte, hocheffiziente Bias-Stromversorgungen und Gate-Treiber für unterschiedliche isolierte Schalter im System. (kr)

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