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.
Martin ProbstMartinProbstOnline-Redakteur
Die Roadmap von IDTechEx zeigt, wie sich Innovationen in Halbleitermaterialien, Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und erneuerbaren Energien gegenseitig beeinflussen – von 300-mm-GaN- und SiC-Wafern über 800-VDC-Rechenzentren bis zu MW-Serverracks und künftigen Hochvolt-Anwendungen.IDTechEx
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Die Elektromobilität hat in den vergangenen Jahren nicht nur den Fahrzeugbau verändert. Sie hat auch der Leistungselektronik einen kräftigen Entwicklungsschub verpasst. 800-V-Bordnetze, Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter, kompaktere Umrichter und neue Sicherheitskonzepte sind längst keine Laborthemen mehr, sondern in Serienfahrzeugen angekommen. Nun blickt eine ganz andere Branche aufmerksam auf diese Erfahrungen: die Rechenzentrumsindustrie. Denn KI-Server verlangen immer höhere Leistungen – und klassische Stromversorgungsarchitekturen geraten zunehmend an ihre Grenzen.
Die Marktforscher von IDTechEx sehen deshalb einen Technologietransfer von der Straße in den Serverraum. In ihrem Bericht „Power Electronics Market 2026–2036: Data Centers, Electric Vehicles, and Renewables“ beschreibt das Unternehmen, wie Innovationen aus 800-V-Elektrofahrzeugen die nächste Generation von KI-Rechenzentren prägen könnten. Im Zentrum stehen dabei Hochvolt-Gleichspannungsarchitekturen mit 800 VDC, Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sowie der Wunsch, mehr Leistung mit weniger Verlusten und höherer Leistungsdichte in die Racks zu bringen.
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Warum KI-Rechenzentren neue Stromarchitekturen brauchen
Seit dem Durchbruch generativer KI ist der Leistungsbedarf in Rechenzentren sprunghaft gestiegen. Vor ChatGPT lagen typische Rack-Leistungen laut IDTechEx bei rund 20 kW. Heute erreichen viele KI-Racks bereits etwa 100 kW. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten einzelne Racks Leistungen von mehr als 1 MW benötigen. Diese Entwicklung stellt die Stromversorgung vor ein sehr handfestes Problem: Je mehr Strom über niedrige Spannungen übertragen wird, desto höher werden Ströme, Leitungsverluste, Kupferbedarf und Platzbedarf für Leistungselektronik.
In heutigen Architekturen arbeiten viele Rechenzentren mit 480-VAC-Einspeisung und nachgelagerten 54-VDC-Verteilungen. Für sehr hohe Rack-Leistungen ist diese Struktur jedoch nur bedingt geeignet. IDTechEx verweist darauf, dass ein 1-MW-Rack mit konventioneller Silizium-Leistungselektronik und heutiger 480/54-V-Architektur praktisch den gesamten Rack-Raum für Leistungswandlung beanspruchen könnte. Hinzu kämen mehr als 200 kg Kupfer. Für Rechenzentren, in denen jeder Kubikzentimeter zählt, ist das ungefähr so charmant wie ein Kabelbaum aus der Dampflokära.
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Entscheidend wird daher die Leistungsdichte: Wie viel elektrische Leistung lässt sich pro Volumen effizient umwandeln und verteilen? Genau an dieser Stelle kommen Technologien ins Spiel, die in Elektrofahrzeugen bereits erprobt wurden.
Was hat 800-V-Technik aus Elektroautos damit zu tun?
In Elektrofahrzeugen begann die Kommerzialisierung von 800-V-Architekturen 2019 mit dem Porsche Taycan. Seither haben mehrere Hersteller die Technik übernommen – zunächst vor allem in Performance-Fahrzeugen, inzwischen zunehmend auch in breiteren Modellsegmenten. Die Gründe sind naheliegend: Höhere Spannungen erlauben bei gleicher Leistung niedrigere Ströme. Dadurch sinken I²R-Verluste, Kabelquerschnitte können kleiner ausfallen und hohe Ladeleistungen lassen sich besser realisieren.
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Mit dem steigenden Leistungsbedarf von KI-Rechenzentren wächst auch die Rack-Leistung deutlich: Von wenigen Kilowatt vor dem KI-Boom geht die Entwicklung laut IDTechEx in Richtung Megawatt-Rack – ermöglicht durch Wide-Bandgap-Halbleiter, kommerzialisierte Leistungselektronik und 800-V-Architekturen.IDTechEx
Der Wechsel von 400 V auf 800 V wäre ohne Fortschritte bei Wide-Bandgap-Halbleitern kaum in dieser Form möglich gewesen. Besonders Siliziumkarbid spielt bei hohen Spannungen seine Vorteile aus. SiC-Bauelemente können bei höheren Sperrspannungen, höheren Temperaturen und geringeren Schaltverlusten arbeiten als klassische Silizium-IGBTs oder Silizium-MOSFETs. Zwar sind SiC-Komponenten teurer, doch bei 800-V-Anwendungen überwiegen die Effizienz- und Performancevorteile zunehmend.
Weil die Automobilindustrie in den vergangenen Jahren einer der wichtigsten Umsatztreiber für Leistungselektronik war, konzentrierten sich viele Innovationen auf den elektrischen Antriebsstrang. Das hatte mehrere Folgen: SiC und GaN wurden weiter industrialisiert, Kosten sanken, Fertigungsprozesse reiften und die Langzeitzuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen konnte besser nachgewiesen werden. Diese Erfahrung ist für Rechenzentren wertvoll, auch wenn dort andere Anforderungen gelten als im Fahrzeug. Ein Serverrack fährt selten über Kopfsteinpflaster, möchte aber ebenfalls keine thermischen Überraschungen erleben.
IDTechEx sieht zwei zentrale Entwicklungen, die den Wandel in Rechenzentren ermöglichen: die breitere Nutzung von Wide-Bandgap-Halbleitern und den Übergang zu 800-VDC- beziehungsweise HVDC-Architekturen. Beide Trends hängen eng zusammen.
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SiC eignet sich besonders für Hochvolt-Wandlungsstufen und Power-Factor-Correction-Schaltungen. In Rechenzentren kann SiC dazu beitragen, Wandlungsverluste zu reduzieren und höhere Leistungen kompakter zu verarbeiten. GaN wiederum punktet bei niedrigeren Spannungen, hohen Schaltfrequenzen und sehr kompakten Designs. Das Material erlaubt Schaltfrequenzen bis in den MHz-Bereich, wodurch passive Bauteile wie Induktivitäten und Kondensatoren kleiner ausfallen können.
Referenzdesigns führender Leistungselektronik-Anbieter zeigen bereits, wohin die Reise geht. Laut IDTechEx nutzen etwa 8-kW- und 12-kW-Netzteildesigns von Unternehmen wie Infineon und Navitas SiC für Hochvolt-Wandlungsstufen und PFC, während GaN in niedrigeren Spannungsbereichen eingesetzt wird. Gerade in Rechenzentren dürfte GaN schneller Fuß fassen als in Elektrofahrzeugen. Der Grund: Die Anforderungen an hohe Frequenzen, kompakte Bauformen und effiziente Niedervolt-Wandlung passen sehr gut zum Materialprofil.
Für Betreiber von KI-Rechenzentren geht es dabei nicht nur um ein paar Prozentpunkte Wirkungsgrad. Ebenso wichtig ist die Frage, wie viele Kilowatt sich auf begrenztem Raum zuverlässig bereitstellen lassen. Kleinere Halbleiter, kleinere passive Bauelemente und weniger Wandlungsstufen können die Leistungsdichte deutlich erhöhen. Bei Rack-Leistungen im dreistelligen Kilowattbereich oder darüber wird das zum Architekturthema.
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Wie verändert HVDC die Rack-Versorgung?
Der Schritt zu 800-VDC-Rechenzentren könnte die Stromverteilung grundlegend vereinfachen. Statt mehrfacher Wandlung über AC- und DC-Zwischenstufen ließe sich Leistung direkter und mit geringeren Verlusten bis zum Rack bringen. Weniger Wandlungsstufen bedeuten weniger Verlustwärme, weniger Bauteile, potenziell weniger Ausfallpunkte und eine kompaktere Infrastruktur.
Der Vergleich zur Elektromobilität ist dabei mehr als ein hübsches Bild. In beiden Fällen geht es um hohe Leistungen, begrenzten Bauraum, thermisches Management, Sicherheit und Effizienz. Elektrofahrzeuge haben bereits gezeigt, wie 800-V-Systeme sicher ausgelegt, überwacht und geschützt werden können. Dazu gehören Isolationsüberwachung, Hochvolt-Steckverbinder, Pre-Charge-Konzepte, Schutzmechanismen und Validierungsprozesse. Rechenzentren können diese Konzepte nicht eins zu eins übernehmen, sie können jedoch wichtige Designprinzipien adaptieren.
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Die Roadmap von IDTechEx zeigt, wie sich Innovationen in Halbleitermaterialien, Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und erneuerbaren Energien gegenseitig beeinflussen – von 300-mm-GaN- und SiC-Wafern über 800-VDC-Rechenzentren bis zu MW-Serverracks und künftigen Hochvolt-Anwendungen.IDTechEx
Besonders relevant ist die Reduktion ohmscher Verluste. Bei gleicher Leistung halbiert eine Verdopplung der Spannung den Strom. Da Leitungsverluste quadratisch mit dem Strom steigen, bringt eine höhere Verteilungsspannung erhebliche Vorteile. Für Rechenzentren mit extrem hoher Rack-Dichte ist das ein starkes Argument. Weniger Strom bedeutet dünnere Leiter, geringere Kupfermengen, weniger Wärmeentwicklung und mehr nutzbaren Raum für Rechenleistung.
Warum der Markt für Leistungselektronik breiter wird
Für die Leistungselektronikindustrie kommt diese Entwicklung zu einem passenden Zeitpunkt. IDTechEx weist darauf hin, dass viele Tier-1-Zulieferer der Leistungselektronik in den vergangenen Jahren stark von der Automobilindustrie profitiert haben. Gleichzeitig geraten Teile des EV-Markts unter Druck: geringere staatliche Anreize, intensiver Wettbewerb und stark vertikal integrierte chinesische Hersteller erschweren die Lage für manche Anbieter. Auch wenn IDTechEx langfristig weiter Wachstum im EV-Markt erwartet, suchen viele Unternehmen nach zusätzlichen Anwendungsfeldern.
KI-Rechenzentren bieten genau das: einen wachsenden, innovationsgetriebenen Markt mit hohem Bedarf an effizienter Leistungswandlung. Nach Prognose von IDTechEx soll der Leistungselektronikmarkt für Rechenzentren bis 2036 um den Faktor 2,5 wachsen. Für Hersteller von SiC- und GaN-Bauelementen, Modulen, Netzteilen und Stromversorgungsarchitekturen entsteht damit ein zusätzlicher Wachstumspfad neben Elektromobilität, erneuerbaren Energien und industriellen Anwendungen.
Gleichzeitig zeigt der Fall, wie eng verschiedene Leistungselektronikmärkte inzwischen miteinander verbunden sind. Eine Innovation, die ursprünglich für schnell ladende Elektroautos entwickelt wurde, kann wenige Jahre später zur Grundlage für neue Rechenzentrumsarchitekturen werden. Die Leistungsanforderungen unterscheiden sich, doch die physikalischen Grundprobleme ähneln sich: Verluste vermeiden, Wärme beherrschen, Bauraum sparen und Zuverlässigkeit sicherstellen.
800 VDC als Baustein für künftige KI-Infrastruktur
Mit jeder neuen GPU-Generation steigt der Leistungsbedarf von KI-Systemen. IDTechEx nennt in diesem Zusammenhang die kommenden Nvidia-Servergenerationen rund um „Vera Rubin Ultra“ als Beispiel für Systeme, die heutige Rack-Architekturen überfordern könnten. Wenn Rechenzentren Trainings- und Inferenzmodelle der nächsten Generation unterstützen wollen, müssen sie ihre Energieverteilung neu denken.
800-VDC-Architekturen könnten hierfür ein zentraler Baustein werden. Sie ermöglichen höhere Rack-Leistungen, reduzieren Verluste und schaffen Raum für kompaktere Leistungselektronik. Wide-Bandgap-Halbleiter liefern die Bauelementebasis, um diese Architekturen effizient umzusetzen. SiC übernimmt dabei vor allem Aufgaben in hohen Spannungsbereichen, während GaN bei schnellen, kompakten Niedervolt-Wandlern seine Stärken ausspielt.
Der Weg vom Elektroauto ins KI-Rechenzentrum ist damit kein Zufall. Die Elektromobilität hat 800-V-Systeme, SiC-Leistungselektronik und Hochvolt-Sicherheitskonzepte in die Großserie gebracht. Rechenzentren stehen nun vor einer ähnlichen Herausforderung: Sie müssen sehr hohe Leistungen effizient, sicher und platzsparend verteilen. Die Blaupause dafür liegt bereits auf der Straße – nun wandert sie in den Rack.
