Die Stromversorgung von KI-Servern bewältigen

Große Sprachmodelle (Large Language Models, LLMs) verändern die Art und Weise, wie wir auf Daten zugreifen, und Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) sorgen dafür, dass Rechenzentren von der Industrie und den Menschen vollkommen anders genutzt werden. All dies ist jedoch erst der Anfang, denn KI-Systeme können auch Softwarecode schreiben, Bilder und Videos generieren sowie Besprechungen transkribieren und zusammenfassen. Gemeinsam ist all diesen KI-Funktionen und -Anfragen, dass sie den Stromverbrauch erheblich ansteigen lassen (Bild 1).

Stromversorgung; Netzteile als Herz der Elektronik

Netzteile sind längst mehr als nur Energiequellen. Sie beeinflussen Wirkungsgrad, Integration und Zuverlässigkeit moderner Systeme entscheidend. Neue Halbleiter, digitale Steuerung und EMV-Anforderungen machen sie zum zentralen Bestandteil jeder Entwicklung.

Sidecar-Konzept für leistungsstarke KI-Racks

Die Unterstützung der Veränderungen, die KI hinsichtlich des Rechenleistungsbedarfs mit sich bringt, hat zu einem exponentiellen Anstieg der Leistungsaufnahme von Rechenzentren geführt. Bild 2 zeigt den ersten größeren Entwicklungsschritt in der Stromversorgung, nämlich die Einführung des Sidecar-Konzepts.

In einem Sidecar ist die unterstützende Peripherie für die Rechenfunktionen eines IT-Racks zusammengefasst. Seine zentrale Aufgabe ist die Stromversorgung über das Power Shelf, das die Energie aus dem dreiphasigen Wechselstromnetz in eine hohe DC-Busspannung umwandelt, mit der schließlich das IT-Rack versorgt wird. Dieser Beitrag beschreibt Technologien zur Realisierung dieser Stromversorgungen.

Welche Anforderungen stellen KI-Server an Netzteile?

 Tabelle 1 fasst die wichtigsten Anforderungen an die Stromversorgung zusammen, um die es in diesem Beitrag geht. Detailliertere Vorgaben für weitere Anwendungsfälle finden sich im Open Computer Project.

Bei der Architektur der dritten Generation wird die einphasige AC-Eingangsspannung durch eine dreiphasige Wechselspannung ersetzt, um dem rapide wachsenden Leistungsbedarf gerecht zu werden. Jede PSU muss etwa 30 kW Ausgangsleistung bieten, um die Anforderungen an eine DC-Stromversorgung mit hoher Ausgangsspannung zu erfüllen. Abgesehen von der dramatischen Zunahme der Dauerleistung muss die PSU jedoch auch für hohe Lastspitzen ausgelegt sein.

Wie EV-Technik KI-Rechenzentren verändert

KI-Rechenzentren brauchen immer mehr elektrische Leistung – und stoßen mit klassischen Stromversorgungsarchitekturen zunehmend an Grenzen. 800-V-Technik aus Elektroautos, SiC- und GaN-Halbleiter sowie HVDC-Konzepte könnten helfen, mehr Leistung effizienter, kompakter und verlustärmer bis ins Serverrack zu bringen.

In der Tabelle ist eine 50 ms dauernde Lastspitze von 160 Prozent angegeben. In anderen Quellen ist jedoch eine noch breitere Palette von Lastspitzen-Szenarien mit bis zu 175 Prozent beschrieben.

Wie funktioniert die dreiphasige Flying-Cap-PFC?

 Die Leistungswandlung aus einer dreiphasigen Wechselspannung unter Wahrung eines niedrigen Oberschwingungsgehalts verlangt nach einer Stromversorgung, die bei geringem Platzbedarf mit einem hohen Wirkungsgrad aufwartet. Eine Option, die hier in jüngster Zeit vermehrt Interesse gefunden hat, ist die dreiphasige Flying-Capacitor-Topologie in Three-Level-Technik (Bild 3).

Bei dieser Topologie kommen für jede AC-Phase vier FETs zum Einsatz. Bei den Kondensatoren, die jeweils zwischen dem oberen und dem unteren FET-Paar angeordnet sind, handelt es sich um die namensgebenden „fliegenden Kondensatoren“ (flying caps). Diese Bezeichnung rührt daher, dass beide Anschlüsse der Kondensatoren nicht konstant mit einer DC-Referenz verbunden sind, sondern umgeschaltet werden. Wird die an diesen Kondensatoren liegende Spannung so eingestellt, dass sie der Hälfte der Gesamt-Ausgangsspannung (in diesem Fall 400 V) entspricht, wird jeder der insgesamt zwölf FETs in dieser Topologie nur der Hälfte der Gesamt-Ausgangsspannung ausgesetzt. Somit bietet diese Topologie entscheidende Vorteile, da sich Transistoren mit niedrigerer Nennspannung durch ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis auszeichnen.

Auch die Induktivitäten werden in dieser Topologie mit einer geringeren Spannung konfrontiert, denn an die mit dem Schaltknoten verbundene Induktivität gelangt ebenfalls nur die Hälfte der Gesamt-Ausgangsspannung. Durch die alternierende Ansteuerung der FETs verdoppelt sich überdies die Schaltfrequenz.

Bild 4 zeigt das PWM-Ansteuerungsmuster einer Phase der beschriebenen Topologie während einer positiven Halbwelle. Bei positiver Eingangsspannung ist das Tastverhältnis von Q1 und Q3 größer als 50 Prozent, während es bei negativer Eingangsspannung unter 50 Prozent fällt. Ein Tastverhältnis von 50 Prozent entspricht einer Stromaufnahme von null am Eingang.

Die geringere Spannungsbelastung der Induktivität und die Verdopplung der Schaltfrequenz sorgen dafür, dass im Design kleinere Induktivitäten verwendet werden können. Ein niedrigerer Induktivitätswert macht es zusammen mit einem geringeren Volt-Sekunden-Produkt möglich, den Wirkungsgrad zu steigern und die mechanischen Abmessungen der Induktivitäten zu reduzieren.

Technologischer Fortschritt und Energieverbrauch durch KI

Künstliche Intelligenz gilt als Motor des Fortschritts – aber auch als Stromfresser. Zwischen Rechenzentren und Edge-Anwendungen entscheidet der Wirkungsgrad der Technik über Zukunftsfähigkeit, Kosten und globale Nachhaltigkeitsziele.

Da der Ausgang der PFC-Stufe (Power Factor Correction) nicht vom Wechselstromnetz isoliert ist, wird eine zusätzliche isolierte Leistungswandlerstufe benötigt. Diese Stufe muss zudem für die Netzausfall-Überbrückung sorgen und mit einem schnellen Lastsprungverhalten für die hochgradig dynamischen Lastprofile von IT-Racks für KI-Anwendungen aufwarten. Bestens geeignet für diese Stufe ist ein dreiphasiger LLC-Wandler (Bild 5).

Warum eignet sich ein dreiphasiger LLC-Wandler?

 Kennzeichnend für diese Topologie sind drei primärseitige Halbbrücken, die mit einem LLC-Resonanztank in Dreieckskonfiguration verbunden sind. Die sekundärseitige Schaltung ist auf die gleiche Weise angeschlossen.

Die Sekundär- und Primärseiten dieser Topologie lassen sich auf unterschiedliche Arten verbinden. Dass im vorliegenden Fall die Dreieck-Dreieck-Verbindung gegenüber anderen Alternativen bevorzugt wurde, hat zwei technische Gründe. Zum einen kann die Streuinduktivität des Übertragers als Resonanzinduktivität genutzt werden, und zum anderen verringern sich die Effektivströme (RMS) in den Elementen des LLC-Resonanztanks auf ein Minimum. In der Tat reduziert die Dreiecksschaltung die Effektivströme im Vergleich zur Sternschaltung um den Faktor √3. Infolge der Dreiecksverbindung der Primärseite liegt die Resonanzinduktivität außerdem in Reihe mit der Übertragerwicklung, was die Integration in den Übertrager erleichtert.

Leistungsmodule mit hoher Stromdichte für GenAI

Der steigende Strombedarf von GenAI-Prozessoren stellt hohe Anforderungen an die Energieversorgung. Leistungsmodule mit hoher Stromdichte und optimierten Gehäusetechnologien verbessern die Effizienz für eine nachhaltigere Nutzung in Rechenzentren.

Um die KI-typischen, großen und schnellen Lastsprünge zu berücksichtigen, benötigt der LLC-Wandler einen Regelalgorithmus, der die Ausgangsspannungs-Transienten auch mit einer geringen Ausgangskapazität minimieren kann. Mit der HHC-Methode (Hybrid Hysteretic Control) lässt sich die Spannungswelligkeit am Resonanzkondensator gut kontrollieren, sodass die Regelschleife schneller auf Transienten reagieren kann, während gleichzeitig hervorragende Stabilitätsreserven bleiben. In Bild 6 wird das dynamische Regelverhalten eines per HHC geregelten Systems mit dem Verhalten eines Systems mit traditioneller DFC-Technik (Direct Frequency Control) verglichen. Die Vorteile der HHC-Lösung bezüglich Phasenreserve und Systembandbreite sind deutlich erkennbar.

KI-Anwendungen stellen vollkommen neue Anforderungen an die Stromversorgung von IT-Racks. Die benötigten Spannungen und Leistungen und die Lastsprung-Anforderungen machen es notwendig, ganz neu an das Design dieser Stromversorgungen heranzugehen. Eine PFC-Stufe in Flying-Cap-Technik und ein dreiphasiger LLC-Wandler mit HHC-Regelung sind nur zwei Beispiele für neuartige Konzepte zur Lösung dieser Probleme. (bs)