Stromversorgungssysteme für KI-Rechenzentren: Wie 800VDC, SiC und GaN die Stromversorgungsarchitektur verändern

Herkömmliche AC-Stromversorgungssysteme können mit steigender Leistungsaufnahme von KI-Racks zunehmend ineffizient und schwer skalierbar werden. Über mehrere Wandlungsstufen entstehen Verluste und Wärme, während eine Niederspannungsverteilung mit hohen Strömen große Leiterquerschnitte erfordert.

Bei der herkömmlichen Stromversorgung von Rechenzentren können Umspanntransformatoren die Hochspannungs-Wechselspannung des Übertragungsnetzes auf eine lokale dreiphasige AC-Verteilspannung umwandeln, beispielsweise 480VAC in Nordamerika oder 400/415VAC in anderen Regionen. Batterie-Backup-Einheiten (BBUs) und Energiespeichersysteme (ESSs) können zwischen der Gebäudeeinspeisung und dem Rack zusätzliche Wandlungsstufen einführen.

Jede Wandlungsstufe verursacht Verluste und erzeugt Wärme, während die weiter nachgelagerte Niederspannungsverteilung mit hohen Strömen den Leiterbedarf erhöht. Zwischenbus- und Point-of-Load-Stromversorgungen wandeln die verfügbare Busspannung anschließend in die niedrigeren Spannungen um, die Prozessoren, GPUs und andere elektronische Lasten benötigen.

Die Branche entwickelt Stromversorgungsarchitekturen für einzelne KI-Racks, deren Leistungsaufnahme sich dem Megawattbereich nähert. Als Beispiel für die Skalierungsherausforderung schätzt NVIDIA, dass für die Versorgung von 1MW bei 54VDC allein für die Rack-Sammelschienen bis zu 200kg (440lb) Kupfer erforderlich sein könnten (Quelle: NVIDIA Technical Blog). Auf Rechenzentrumsebene wird der daraus resultierende Leiterbedarf neben elektrischen Verlusten, Wärmemanagement und verfügbarem Platz zu einem wesentlichen Auslegungskriterium. (Quelle: https://developer.nvidia.com/blog/nvidia-800-v-hvdc-architecture-will-power-the-next-Generation-of-ai-factoriesNVIDIA 800 VDC Architecture Will Power the Next Generation of AI Factories | NVIDIA Technical Blog)

Die Kosten und physischen Anforderungen der Kupferverteilung sowie die Wärmeentwicklung von Niederspannungssystemen mit hohen Strömen lenken die Entwicklung auf zwei zentrale Ansätze: Hochspannungs-DC-Verteilung zur Reduzierung von Strom und Leiterbedarf sowie Wide-Bandgap-Halbleiter zur Verbesserung der Leistungswandlung.

Eine sich entwickelnde Architektur für hochdichte KI-Infrastrukturen nutzt einen 800VDC-Verteilbus, um den Strom bei sehr hohen Rack-Leistungen zu reduzieren. Die höhere Verteilspannung kann gegenüber der Verteilung derselben Leistung bei niedrigeren DC-Spannungen den Leiterbedarf und die I²R-Verluste verringern. Batterie-Backup-Einheiten und Energiespeichersysteme arbeiten grundsätzlich auf DC-Basis. Dadurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten, Energiespeicher mit weniger unnötigen Wandlungsstufen in DC-orientierte Stromversorgungsarchitekturen zu integrieren.

Der Größenunterschied ergibt sich direkt aus I = P/V: Die Verteilung von 1MW bei 54VDC entspricht etwa 18,5kA, während dieselbe Leistung bei 800VDC 1,25kA entspricht – jeweils vor Berücksichtigung von Redundanz und Derating. Diese Stromreduzierung ist einer der grundlegenden Gründe, warum höhere Verteilspannungen mit zunehmender Rack-Leistung im Megawattbereich attraktiv werden.

Der Übergang beseitigt die nachgelagerte Spannungswandlung nicht. Ein 800VDC-Rack-Bus kann eine Zwischenwandlungsstufe auf etwa 48VDC, 50VDC oder 54VDC speisen, gefolgt von einer weiteren Wandlung auf 12VDC und schließlich auf die niedrigen Spannungen, die Prozessoren und GPUs benötigen. Diese Wandlungsebenen sind von herkömmlichen 1U-CRPS-/M-CRPS-Hot-Swap-Servernetzteilen zu unterscheiden.

Elektronen in Materialien leiten elektrischen Strom nur, wenn sie sich im Leitungsband eines Atoms befinden. Bei einem Leiter wie Kupfer überlappen Valenz- und Leitungsband, sodass sich Elektronen frei bewegen können. Ein Isolator besitzt eine sehr große Bandlücke, die Elektronen unter normalen Bedingungen nicht überwinden können. Halbleiter liegen dazwischen: Ihre Bandlücke ist schmal genug, dass Elektronen bei Zufuhr von Energie in das Leitungsband gelangen können.

Silizium besitzt eine Bandlücke von etwa 1,1eV, während SiC (etwa 3,3eV) und GaN (etwa 3,4eV) als Wide-Bandgap-Materialien bezeichnet werden, weil ihre Bandlücken ungefähr dreimal größer sind. Diese größere Bandlücke führt zu höheren Durchbruchspannungen und ermöglicht den Betrieb bei höheren Spannungen und Schaltfrequenzen.

Die größere Bandlücke und die damit verbundenen Materialeigenschaften von SiC und GaN ermöglichen den Betrieb unter elektrischen Bedingungen, die für die hochfrequente und hochspannungsseitige Leistungswandlung vorteilhaft sein können.

In geeigneten Wandlertopologien können diese Eigenschaften Schaltverluste reduzieren und den Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen ermöglichen. Höhere Frequenzen können die Größe magnetischer und passiver Komponenten reduzieren, während geringere Halbleiterverluste den Kühlbedarf senken können. Die tatsächliche Verbesserung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte hängt von Wandlertopologie, Spannungsniveau, Schaltfrequenz, thermischem Design und Betriebspunkt ab.

Bei KI-Rechenzentren geht es längst nicht mehr nur um reine Rechenleistung. Ressourcen wie Kupfer, Wasser für die Kühlung und verfügbare Netzkapazität stoßen an ökologische und physische Grenzen. Die Reduzierung des thermischen, elektrischen und materiellen Footprints ist daher ein wichtiger Aspekt für die weitere Skalierung der Infrastruktur. Heutige Anlagen müssen auf künftige Änderungen der Stromversorgungsarchitektur vorbereitet sein, auch wenn noch nicht alle nachgelagerten Systeme dafür ausgelegt sind.

Für künftige hochdichte KI-Installationen bewertet die Branche Architekturen, die Energiespeicher enger mit der Hochspannungs-DC-Verteilung integrieren. Ein sich entwickelnder Ansatz platziert lokale BBU- oder ESS-Kapazität neben einem 800VDC-Rack-Bus. Dadurch kann der Strom bei hohen Leistungen reduziert und möglicherweise auf einige Zwischenwandlungsstufen verzichtet werden. Solche Architekturen entwickeln sich derzeit parallel zu etablierten AC- und 48/54VDC-Stromversorgungssystemen, anstatt diese generell zu ersetzen.

Eine höhere DC-Verteilspannung bringt zugleich zusätzliche Anforderungen an Design und Sicherheit mit sich. Bei einem 800VDC-System müssen eine geeignete Isolationskoordination, Kriech- und Luftstrecken, DC-geeignete Steckverbinder und Schutzkomponenten, das Erdungskonzept sowie Serviceverfahren berücksichtigt werden. Diese Anforderungen hängen von der konkreten Systemtopologie und den anzuwendenden Normen ab und lassen sich nicht allein aus der Busspannung ableiten.

Eine Übergangsarchitektur nutzt einen rackseitigen 800VDC-Verteilbus und behält gleichzeitig die bestehende AC-Infrastruktur des Rechenzentrums bei. Dadurch entsteht ein Migrationspfad zu den höheren Rack-Leistungen, die für künftige KI-Systeme erwartet werden. Der Übergang zu diesem Modell kann ein rackseitiges Stromversorgungssystem erfordern, das die bestehende AC-Verteilung des Rechenzentrums in den Hochspannungs-DC-Bus umwandelt. Abhängig von der Systemarchitektur kann dieses System auch eine lokale Batterie-Backup- oder Energiespeicherfunktion integrieren.