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Die rasante Verbreitung künstlicher Intelligenz (KI) in Verbraucher- und Unternehmensmärkten führt zu beispiellosen Investitionen in Hochleistungsrechner und Netzwerke. Da KI-Modelle immer größer werden und in vielfältigen Anwendungen Einzug halten, power der Bedarf an power an. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird der power heterogener Recheneinheiten (XPUs) voraussichtlich von heute 1–1,5 kW auf über 5 kW bis 2030 steigen [1]. Dieser Anstieg des power treibt die Nachfrage nach dichteren, effizienteren power vom Netz bis zum Kern an.
Die aufkommende power , die den KI-Skalierungs
ermöglicht Die Verteilung von 415–480 VAC innerhalb von Rechenzentren führt zu einem Flickenteppich elektrischer Umwandlungen. power in power umgewandelt werden, power die Batterie-Notstromversorgung zu unterstützen, und für die weitere Verteilung wieder in Wechselstrom. Doch mit der zunehmenden Skalierung von KI-Systemen ist dieser Energieverlust zu kostspielig, um ihn zu verkraften. Ein wichtiger Schwerpunkt der Branche ist die Hochspannungs-Gleichstromverteilung (HVDC), die Leitungsverluste sowie die Anzahl der Umwandlungsstufen in großen Clustern reduziert.
Die wichtigsten vorgeschlagenen Lösungen sind entweder power ±400 V (Mt. Diablo) oder 800 V (Kyber). Die erste Phase der HVDC-Lösungen wird weiterhin auf einer 415–480-V-Wechselstromverteilung mit einem power basieren, wodurch einige power reduziert werden. Dieser Schritt umfasst weniger power als bestehende Systeme und verringert Leitungsverluste, indem HVDC an das benachbarte Rechenrack geliefert wird. Um jedoch weitere power zu eliminieren, werden Rechenzentren HVDC im gesamten Cluster verteilen. Zusätzliche Energieeinsparungen werden durch die Implementierung der 800-V-DC-DC-Umwandlung innerhalb der Systemtrays in den Rechenracks erzielt, wodurch Leitungsverluste in den Sammelschienen reduziert werden.
Diese Bereitstellung erfordert eine deutliche Steigerung der Dichte und Effizienz. In den letzten Monaten haben Hyperscaler ihre allgemeinen Anforderungen [2] an höherepower , power , Dichte und Skalierbarkeit spezifiziert, und Anbieter haben darauf mit vorgeschlagenen Wandlertopologien und Überlegungen reagiert, um diese Anforderungen zu erfüllen [3].
Dies stellt einen echten Fortschritt dar, und es ist bereits klar, dass die wichtigsten Leistungsziele der Lösungen in greifbarer Nähe liegen. Zu den Vorteilen dieser power der nächsten Generation gehören:
- Hohe Übersetzungsverhältnis – Die Umwandlung von HVDC-Versorgungsspannung in eine sehr niedrige XPU-Kernspannung mit möglichst wenigen Stufen erfordert ein hohes Übersetzungsverhältnis (>1000:1). Lösungen auf Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) erzielen aufgrund höherer Durchbruchspannungen und geringerer Leitungs- und Schaltverluste im Vergleich zu Lösungen auf Siliziumbasis ein höheres Übersetzungsverhältnis.
- Deutliche Steigerung der Packungsdichte im Vergleich zu aktuellen power – Der Anstieg power von XPUs geht nicht mit einer entsprechenden Vergrößerung des verfügbaren Volumens für power einher. Computer- und Netzwerkarchitekturen setzen dem physikalischen Abstand Grenzen, was den Einsatz kompakterer power erforderlich macht. Dank ihrer hervorragenden Schalteigenschaften ermöglichen power den Betrieb bei höheren Frequenzen, wodurch kleinere Energiespeicherkomponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten oder Transformatoren eingesetzt werden können.
- Extrem hoher Wirkungsgrad bei hoher Leistung – Das außerordentliche Wachstum power in Rechenzentren bedeutet, dass sich power in jeder Stufe direkt auf die Energiekosten auswirken. Daher müssen der Umwandlungsgrad und eine hohe Leistungsdichte erreicht werden, ohne dabei Abstriche beim Wirkungsgrad zu machen. GaN-Bauelemente bieten die besten Leistungsmerkmale – darunter einen geringeren spezifischen Durchlasswiderstand, minimale Schaltladungen und einen besseren Hochfrequenz-FOM –, was bei einem gegebenen Verhältnis und einer gegebenen Dichte zu einem höchstmöglichen Wirkungsgrad führt.
Wie GaN die Innovation in Rechenzentren vorantreibt
Der Markt für Rechenzentren verlangt nicht nur höchste Leistung, sondern auch außergewöhnliche Qualität und Zuverlässigkeit. In der Branche setzt sich zunehmend die Ansicht durch, dass Power die Schlüsseltechnologie für HVDC-Lösungen in Rechenzentren ist.
GlobalFoundries entwickelt GaN-Plattformen, um diesen Übergang zu unterstützen, darunter HV- (650 V) und MV- (200 V und darunter) Bauelemente. Diese Plattformen werden branchenführende Leistungsmerkmale bieten, gepaart mit der Zuverlässigkeit und Robustheit, die Hyperscaler benötigen, um KI in großem Maßstab einzusetzen.
Chancen für die Skalierung von HGÜ-Architekturen
Mit Blick auf den breiten Einsatz dieser Lösungen bieten sich weiterhin mehrere bedeutende Chancen, die jeweils Spielraum für die nächste Innovationswelle bei der Topologiewahl und der Geräteoptimierung bieten:
- Festlegung klarer Sicherheits- und Isolationsanforderungen: Bislang wurden Sicherheit und Isolation nur in groben Zügen erörtert, doch HVDC-Architekturen erfordern eine Isolation. Die Einhaltung der Sicherheits- und Isolationsvorschriften durch Abstände (Kriech- und Luftstrecken) kann zu erheblichen Einbußen bei der Packungsdichte führen, während die mechanische Einhaltung durch Schutzlackierung oder Verguss die thermische Leistung beeinträchtigen kann – beides erschwert die Wartungsfreundlichkeit der Systeme im Feld. Die Definition des richtigen Gleichgewichts stellt eine große Chance für Innovationen bei Materialien, mechanischen Strukturen und der Systemarchitektur dar.
- Festlegung von EMI/EMC-Anforderungen für die Skalierung von Rechenzentren der nächsten Generation: Da Rechenzentren strenge Normen hinsichtlich elektromagnetischer Störungen (EMI) und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMC) erfüllen müssen, muss die Branche ermitteln, wie Topologien diese Anforderungen erfüllen können. Wenn für die Skalierung von HVDC-Lösungen sperrige Filterkomponenten erforderlich sind, kann dies die Erreichung der Dichteziele verhindern und möglicherweise die Wahl einer alternativen Topologie erzwingen. Es ist entscheidend, dass diese Anforderungen auf Rechenzentren im Multi-GW-Bereich skalierbar sind, damit Cluster zusammenarbeiten können; andernfalls sind Kompatibilität und Leistung gefährdet.
- Konvergenz hin zu optimalen Abwärtswandlungsverhältnissen und einer power auf Systemebene: Wird sich die Branche auf ein Abwärtswandlungsverhältnis von 16:1 oder 64:1 einigen, oder werden Systementwickler – wenn der HGÜ-Umrichter in den System-Tray integriert wird – die power auf verschiedene Spannungsebenen optimieren? Wenn Lösungen auf der Grundlage einer Optimierung auf Systemebene maßgeschneidert werden, wird dies wahrscheinlich zu einem Bedarf an geregelten HVDC-Umrichtern sowie an ungeregelten Umrichtern mit festem Übersetzungsverhältnis führen, wobei die beiden Typen unterschiedliche Anforderungen an die Transienten stellen. Diese Kompromisse werden sich in Zukunft auf das gesamte Systemdesign auswirken, vom Rack-Eingang bis zur XPU.
Skalierbare, effiziente und nachhaltige Rechenzentren ermöglichen
Im Zuge der Weiterentwicklung und Reifung dieser Lösungen wird GF gemeinsam mit seinen Kunden die Geräteentwicklung optimieren, Treiber- und Sensorfunktionen in power integrieren und power heterogen mit weiteren Komponenten verbinden.
Es ist ermutigend, dass sich die Akteure der Branche nicht nur intensiv mit der Machbarkeit von Umrichtern beschäftigen, sondern auch sehr aktiv an der Entwicklung offener Standards arbeiten, wie beispielsweise dem Teilprojekt Power des Open Compute Project, das einen Fahrplan für skalierbare, interoperable HGÜ-Architekturen liefern wird.
Durch den Einsatz von HGÜ-Architekturen können Betreiber und OEMs Effizienzgewinne direkt in die Leistung von XPU und Netzwerkclustern umsetzen – und so bei gleichem Energieverbrauch mehr nutzbare Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPs) erzielen, während gleichzeitig Energieverluste reduziert, Betriebskosten gesenkt, die Dichte auf Rack-Ebene verbessert und Nachhaltigkeitsziele durch power effizientere power vorangetrieben werden. Um diese strengen Anforderungen in großem Maßstab zu erfüllen, sind Lösungen erforderlich, bei denen Interoperabilität und der langfristige Wert des Ökosystems oberste Priorität haben.
Anmerkungen:
[2] Anteil am Gesamtvermögen – NVDAM
[3] Auf den 800-V-Bus aufspringen: NVIDIAs Power und die Chips, die sie antreiben | Electronic Design
Von Tim Nutt
