Die Rolle der Stromversorgung in KI-Rechenzentren

Vom Sagen von "Hey Siri" bis hin zur automatischen Organisation von Gesichtern in Fotos, diese scheinbar einfachen KI-Funktionen beruhen auf den schnellen Berechnungen von Tausenden von Servern im Hintergrund. Diese Server sind an einem Ort konzentriert: in Rechenzentren. Sie können sich ein KI-Rechenzentrum wie eine "intelligente Fabrik" vorstellen, die kontinuierlich Daten aus aller Welt verarbeitet. Und um diese Fabrik am Laufen zu halten, benötigt sie vor allem eine stabile und robuste Stromversorgung. 

KI-Modelle werden immer komplexer, ihre Rechenleistung wächst, und ebenso ihr Strombedarf. Der Stromverbrauch eines einzelnen KI-Rechenzentrums kann dem eines ganzen Viertels entsprechen! Daher sind stabile, intelligente und energieeffiziente Energiesysteme von entscheidender Bedeutung geworden.

Doch selbst wenn Strom verfügbar ist, kann er nicht direkt genutzt werden. So wie Haushaltsgeräte nicht an Hochspannung angeschlossen werden können, benötigen auch Server Umwandlung und Spannungsregelung, um sicher betrieben zu werden. Hier wirkt das Netzteil (PSU) wie ein Transformator, der Strom aus dem Netz in eine für Server geeignete Form umwandelt. Darüber hinaus können sich KI-Datenzentren keine plötzlichen Stromausfälle leisten - ein Blackout könnte zu Datenverlust oder Systemabstürzen führen. Dies erfordert unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (UPS) und Notstromversorgung, um einen nahtlosen Betrieb auch bei externen Stromausfällen sicherzustellen.

Andererseits ist auch Energieeffizienz eine Priorität. Abfall muss minimiert werden. Hochleistungselektronische Stromumwandlungstechnologie kann Energieverschwendung und Wärmeerzeugung reduzieren, was wiederum die gesamte Kühlleistung verbessert. Für KI-Datenzentren ist dies ein Gewinn für sowohl Energieeinsparungen als auch Umweltverträglichkeit.

Darüber hinaus kann Energie „intelligent“ werden. Moderne Rechenzentren benötigen nicht nur „Strom auf Abruf“; sie erfordern auch die Echtzeitüberwachung des Energiestatus, automatische Anpassungen der Lastverteilung zur Reduzierung von Einzelpunktsbelastungen und die Integration erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Batteriespeicher, um eine umweltfreundliche Energieversorgung zu erreichen. All dies wird durch intelligente Energiemanagementsysteme (PMS) ermöglicht. Es ist wie ein akribischer Butler, der sicherstellt, dass das gesamte KI-Zentrum kraftvoll und effizient arbeitet.

KI kann schnelle Berechnungen durchführen, Sprache verstehen, Bilder erkennen und sogar die Zukunft vorhersagen. Doch hinter all dem liegt eine stabile Stromversorgung. Elektrizität ist die „Lebensader“ von KI-Datenzentren und bietet nicht nur Energie, sondern trägt auch die Verantwortung für Nachhaltigkeit, Sicherheit und Intelligenz.

In der Welt der KI sind Daten der Treibstoff, und Elektrizität ist die Lebensader. Um künstliche Intelligenz mit hoher Geschwindigkeit am Laufen zu halten, benötigen die dahinter stehenden Rechenzentren leistungsstarke, stabile und effiziente Stromversorgungssysteme. Zwei Schlüsseltechnologien in diesem Zusammenhang sind Leistungsverstärkung und intelligente Steckverbindungen.

Rechenzentren erhalten hochspannende Wechselstrom (AC) vom Netz, aber Server, Speichergeräte und Netzwerkausrüstung benötigen tatsächlich Niederspannungsgleichstrom (DC). Dies ist ähnlich wie bei unseren Telefonladegeräten - sie können nicht direkt an Hochspannungselektrizität angeschlossen werden, sondern müssen diese zuerst in eine sichere und nutzbare Form umwandeln.

In KI-Rechenzentren umfasst die Aufgabe der Leistungsumwandlung die Umwandlung der eingehenden Netzspannung in die von verschiedenen Geräten benötigten Spannungen und Formate. Dazu gehört auch die Verbesserung der Umwandlungseffizienz, um Energieverluste und übermäßige Wärmeerzeugung zu reduzieren, sowie die Integration mit Batteriespeichersystemen und USV, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung während Ausfällen zu gewährleisten. Da KI-Computing skaliert und die Serverdichte zunimmt, geht es bei der Leistungsumwandlung nicht mehr nur um das „Versorgen mit Energie“, sondern um das „präzise Versorgen mit Energie“ - jeder Watt muss genau richtig, sicher und intelligent genutzt werden.

Andererseits sind traditionelle Stromsysteme unidirektional - "Strom liefern und fertig." Aber AI-Datenzentren können nicht so einfach betrieben werden. Diese Server laufen rund um die Uhr, mit ständig schwankenden Stromanforderungen. Daher muss das Stromversorgungssystem auch über Echtzeit-Sensoren und Reaktionsfähigkeiten verfügen. Durch intelligente Verbindungen kann das Stromsystem den Stromverbrauch in verschiedenen Zonen überwachen und melden, Lasten automatisch anpassen, um lokale Überlastungen oder Verschwendung zu vermeiden, und mit anderen Systemen (wie Kühlung, Batteriespeicher und Energiemanagementplattformen) zusammenarbeiten, um visuelle Daten bereitzustellen, die Ingenieurteams helfen, den Betrieb und die Energieeffizienz zu optimieren.

Kurz gesagt, intelligente Verbindungen machen das Stromversorgungssystem "verbunden" und "intelligent". Es liefert nicht nur Energie, sondern passt sich auch an und prognostiziert im Einklang mit dem Rhythmus des Rechenzentrums, wodurch eine wirklich intelligente Energieinfrastruktur ermöglicht wird. Ob beim Training großer Sprachmodelle, bei der Erkennung von Bildern in Echtzeit oder bei der Verarbeitung großer Mengen globaler Daten – jede Aufgabe in der KI ist auf ein zuverlässiges Stromversorgungssystem angewiesen. Leistungsverwandlung und intelligente Verbindungen sind die beiden Schlüsseltechnologien, die diese Leistung stabil und intelligent machen. Der Aufbau der nächsten Generation von KI-Rechenzentren ist nicht nur ein Rennen um Geschwindigkeit – es ist auch eine Herausforderung in Bezug auf Energieeffizienz und intelligente Betriebsführung. Beginnend mit Elektrizität können wir KI schneller, stabiler und nachhaltiger gestalten.

Arrow Electronics und seine Partner sind bestrebt, den Betrieb von AI-Datenzentren stabiler zu gestalten und die Energieeffizienz zu verbessern. Sie haben zahlreiche Stromversorgungslösungen eingeführt. Im Folgenden stellen wir diese Lösungen nach Anwendungstyp vor, einschließlich AC-DC-Stromumwandlung, DC-DC-Stromumwandlung, Stromumwandlung für AI-Verarbeitungseinheiten und intelligente Verbindungen.

In KI-Rechenzentren ist der Strom aus dem Netz Wechselstrom (AC), aber Server und Computerausrüstung benötigen tatsächlich Gleichstrom (DC). Hier kommt die AC-DC-Leistungsumwandlung ins Spiel und fungiert als "Strombrücke". Ihre Funktionen umfassen die Umwandlung von Hochspannungs-Wechselstrom in einen sicheren und stabilen Gleichstrom für den Gerätegebrauch, die Sicherstellung, dass der Umwandlungsprozess effizient und energiesparend ist, um die Hitzeentwicklung zu reduzieren, und die Unterstützung diverser Ausgangsspannungsanforderungen, um verschiedene Serverarchitekturen flexibel zu versorgen. Mit effizienten AC-DC-Lösungen können KI-Rechenzentren eine stabile Stromversorgung und einen energieeffizienten Betrieb erreichen, wodurch sie zu einem unverzichtbaren Eckpfeiler der gesamten Energieinfrastruktur werden.

Arrow-ST-Bourns 5,5kW AI-Server-Netzteil — Dieses Netzteil entspricht dem ORV3-Standard und bietet eine Leistungsdichte von bis zu 65W/In³. Die Ausgangsspannung liegt zwischen 48-54V (typischer Wert: 48-50V), und der Eingangsspannungsbereich reicht von 180V AC bis 305V AC. Es erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von 97,5 % und eine Stoßleistung, die das 1,5-fache der Nennleistung beträgt. Es unterstützt Firmware-Updates vor Ort (mit einem Bootloader), aktive Stromverteilung über Droop und heißes Ein-/Ausstecken (Hot-Plug). Der Gleichrichter kann über PMBus (bis zu 100kbps) und ModBus (bis zu 115kbps) kommunizieren und verfügt über einen intern gesteuerten Lüfter mit variabler Drehzahl. Die Stückliste (BOM) verwendet hauptsächlich ST-Komponenten.

3,3 kW 54V Bidirektionaler DC-DC — Diese EVAL_3K3W_BIDI_PSFB, eingeführt von Infineon, ist ein 3300W 54V bidirektionales Phasenschiebe-Vollbrücken (PSFB) Evaluierungsboard mit 600V CoolMOS™ CFD7 und XMC™. Der Konverter erreicht bis zu 98 % Effizienz im Buck-Modus und bis zu 97 % im Boost-Modus. Das EVAL_3K3W_BIDI_PSFB Board ist eine DC-DC-Stufe mit Telekommunikationsausgang, implementiert mit einem PSFB-Topologiemodul mit bidirektionaler Funktionalität. Das Board verwendet CoolMOS™ CFD7 und OptiMOS™ 5 in einer vollständigen SMD-Lösung und integriert ein innovatives Kühlkonzept.

onsemi AI-Server-Stromversorgung — onsemis integrierte Lösung nutzt komplementäre Produkte, einschließlich modernster Si-, SiC- und GaN-Technologien für das Leistungsschalten. Sie integriert auch Gate-Treiber, Mehrphasenregler, 48V-Controller, Smart Power Stage (SPS) Module, intelligente Sicherungen und Point-of-Load (PoL) Buck-Converter für das Energiemanagement. Dies bietet eine umfassende Stromversorgungslösung (von 3kW bis zu 25-30kW Hochspannungs-Gleichstromübertragung) maßgeschneidert für Rechenzentren, die alles abdeckt, von der Stromquelle bis zu GPUs. Dieses Produktportfolio verbessert die Systeme Effizienz und Leistungsdichte und reduziert den Platzbedarf des Systems.

In AI-Rechenzentren haben Server und verschiedene Rechenmodule unterschiedliche Spannungsanforderungen. Die Aufgabe der DC-DC-Leistungsumwandlung besteht darin, Gleichstrom zwischen verschiedenen Ebenen umzuwandeln, um eine präzisere und genauere Leistungssteuerung zu bieten. Die Kernfunktionen der DC-DC-Leistungsumwandlung umfassen die Umwandlung der Gleichspannung der Hauptstromversorgung in die von den verschiedenen Modulen benötigten Spannungen, die Bereitstellung stabiler Leistung für Hochleistungskomponenten wie CPUs, GPUs und Speicher sowie die Verbesserung der Umwandlungseffizienz zur Reduzierung von Verlusten und Wärmeentwicklung. DC-DC-Lösungen agieren wie "Präzisions-Leistungsverteiler" und sorgen dafür, dass jede Komponente im AI-Rechensystem genau die richtige Menge an Leistung erhält. Dies ist ein entscheidendes Element, um hochdichte, hochleistungsfähige Rechenleistungen anzutreiben.

48V bis 12V DC 1600W Modul — Dieses REF_IBC_1600W_GAN, eingeführt von Infineon, ist ein skalierbarer 48V bis 12V geregelter Zwischenbus-Wandler mit 100V CoolGaN™ Leistungstransistoren. Es verwendet Infineons CoolGaN™ 100V IGC033S10S1 in einem 3mm x 5mm PQFN-Gehäuse mit einem typischen RDS(on) von 2,4 mΩ und Dual-Side-Kühlung. Zusätzlich beinhaltet es Infineons EiceDRIVER™ 1EDN7136U, einen GaN-optimierten 1,8mm x 1,8mm Gate-Treiber-IC mit echtem Differenzeingang, und Infineons XDPP1148-100B Controller, einen 4mm x 4mm digitalen Leistungskontroller mit Firmware und einer Konfigurations-GUI. Es wird mit Vishay IHLP7575 Induktivitäten kombiniert, die eine Höhe von 7mm haben, und verfügt über integrierte 3,3V und 5V interne Stromversorgungen zur einfachen Evaluierung.

Die Hauptrechenleistung von AI-Rechenzentren stammt von GPUs, TPUs und anderen AI-Verarbeitungseinheiten. Diese Einheiten erfordern nicht nur hohe Leistung, sondern auch extreme Stabilität und schnelle Reaktionsfähigkeiten. Dies erfordert Stromwandlungslösungen, die speziell für AI-Prozessoren entwickelt wurden. Die Hauptaufgaben der Stromwandlung für AI-Verarbeitungseinheiten umfassen die Bereitstellung von präzisem Niederspannungs- und Hochstrom, die Bewältigung der sofortigen Laständerungen bei AI-Berechnungen, die Unterstützung von Hochgeschwindigkeitsschaltung und geräuscharmem Design, um einen stabilen Prozessorbetrieb zu gewährleisten, und die Optimierung der Energieeffizienz, um die Wärmeentwicklung und den Kühlungsdruck zu reduzieren. Solche Stromlösungen sind die entscheidenden Ermöglicher für AI-Verarbeitungseinheiten, um "mit voller Leistung reibungslos zu arbeiten," und sicherzustellen, dass jede Deep-Learning-Training- und Inferenzaufgabe schnell und stabil abgeschlossen wird.

MPQ1500-12V125-L48 Serie 1500W DC-DC-Wandler — Der MPQ1500-12V125-L48 ist ein hocheffizienter, 1,5 kW, digital gesteuerter, isolierter Zwischenbus-Wandler, der 40-60 Vdc (nominell: 54 V) Eingang in einen isolierten, halb geregelten 12 Vdc Ausgang umwandelt, vollständig geschützt vor Überstrom, Übertemperatur und Überspannung. Er nutzt einen industriestandardmäßigen Quarter-Brick mit optionaler PMBus™-Schnittstelle. Dieser DC-DC-Wandler bietet einen Spitzenwirkungsgrad von 97,2 %, unterstützt 500 Vdc Eingangs-/Ausgangsisolierung, ermöglicht die Parallelschaltung von drei oder mehr Einheiten und verfügt über eine Fernein-/Ausschaltung. Er ist RoHS-konform.

In KI-Datenzentren heben intelligente Verbindungen das gesamte Stromsystem von der "Stromversorgung" zum "intelligenten Management" an. Ihre Rollen umfassen die Verbindung von Strommodulen, Sensoren und Managementplattformen, um Echtzeitüberwachung und Datenrückmeldung zu ermöglichen, Anomaliedetektion und Laständerungen zu unterstützen, um Ausfälle oder Überhitzung zu verhindern, und in Zusammenarbeit mit Energiemanagement- und Kühlsystemen die Gesamteffizienz und Stabilität zu verbessern. Durch intelligente Verbindungen wird die Stromversorgung sichtbar, kontrollierbar und intelligenter, was eine zuverlässigere Grundlage für KI-Computing bietet.

Da die künstliche Intelligenz rasch in die Zukunft voranschreitet, stützt sich jede rechnerische Anweisung auf stabile und effiziente Stromversorgung. Von der Leistungsumwandlung bis zu intelligenten Verbindungen, von präziser Stromversorgung bis zu intelligentem Monitoring sind Energiesysteme nicht nur Infrastruktur - sie sind die treibende Kraft hinter dem zuverlässigen Betrieb von AI-Rechenzentren. Stabile Elektrizität ist der Herzschlag des kontinuierlichen Fortschritts der AI-Welt. In der Zukunft werden wir jeden Fortschritt in der AI mit intelligenteren, energieeffizienteren Stromarchitekturen erleuchten.