Stromverteilung in KI-Rechenzentren: Von der Stromversorgungskonsole bis zur Rack-Ebene

Die Stromversorgungsarchitektur von KI-Rechenzentren wird häufig unter dem Gesichtspunkt der Leistungsumwandlung, der Hochspannungs-Gleichstromverteilung oder der Servernetzteile diskutiert. Doch zwischen dem Netzteil und dem Server gibt es einen weiteren Aspekt, der genauere Betrachtung verdient: die tatsächliche Stromverteilung innerhalb des Racks.

Sobald Strom in ein Hochleistungs-Rack gelangt, besteht die Herausforderung nicht mehr nur darin, Strom von einem Punkt zum anderen zu transportieren. Stromschienen, Klemmen, Steckverbinder, Schaltgeräte und Schutzkomponenten werden alle Teil desselben Strompfads.

Bei hohen Rack-Leistungen kann bereits ein geringer Widerstand an einem Anschlusspunkt zu einem thermischen Problem führen. Eine kompakte Verteileranordnung kann die Wartung erschweren. Änderungen der Verteilerspannung können zudem Auswirkungen auf die Anforderungen an Isolation, Schaltung und Schutz haben.

Das macht die Stromversorgung auf Rack-Ebene zu einem wichtigen Bestandteil der gesamten Stromversorgungsarchitektur von KI-Servern.

Was ändert sich, sobald die Stromversorgung des Racks erfolgt?

Das Leistungsmodul liefert die vom nachgeschalteten System benötigte Leistung, aber das Rack muss diese Leistung noch auf mehrere Verbraucher verteilen.

Ein vereinfachter Ablauf sieht folgendermaßen aus:

Stromversorgungsfach → Rackverteilung → Sammelschiene → Schaltung/Schutz → Server-Stromversorgungssystem

Die konkrete Architektur variiert je nach Plattform, aber dieser Teil des Systems hat mehrere Anforderungen, die zusammenwirken müssen.

Der Stromverteiler muss den erforderlichen Strom führen, einen akzeptablen Spannungsabfall gewährleisten, die Wärme abführen, einen angemessenen Schutz bieten und es ermöglichen, den betreffenden Abschnitt bei Bedarf zu isolieren.

Hier beginnt die Auslegung von Rack-Systemen zu mehr als nur einer Frage der Leiterdimensionierung.

Der Strompfad ist mehr als nur die Sammelschiene.

Bei der Betrachtung der Stromverteilung in Racks liegt der Fokus leicht auf der Stromschiene, da sie das am besten sichtbare Hochstromelement ist.

Zum elektrischen Pfad gehören aber auch Klemmen, Verbindungen, Steckverbinder, Schaltgeräte und andere Schnittstellen.

Diese Punkte können bei kontinuierlichem Hochleistungsbetrieb wichtig werden.

Beispielsweise können zwei Stromverteilungspfade ähnliche Nennstromstärken aufweisen, sich aber im tatsächlichen Betrieb aufgrund von Unterschieden im Anschlusswiderstand, den thermischen Bedingungen oder der physikalischen Anordnung unterschiedlich verhalten.

Deshalb muss der gesamte Strompfad betrachtet werden, anstatt nur die Stromschiene zu beurteilen.

Dasselbe Prinzip gilt, wenn das Rack für eine zukünftige Leistungserweiterung ausgelegt ist. Die Erhöhung der verfügbaren Leistung hängt nicht nur davon ab, ob der Hauptleiter mehr Strom führen kann. Auch die umliegenden Anschlüsse und Komponenten benötigen ausreichende elektrische und thermische Reserven.

Wo Schutz Teil der Architektur wird

Der Schutz ist eng mit der Art der Stromverteilung verknüpft.

Ein nachgelagerter Fehler sollte isoliert werden, ohne andere Teile des Racks oder das vorgelagerte Stromversorgungssystem unnötig zu beeinträchtigen. Gleichzeitig muss die Schutzeinrichtung unter den tatsächlichen Gleichspannungs-, Strom- und Fehlerbedingungen funktionieren.

Dadurch wird die Auswahl des Schutzes zu einer architektonischen Frage und nicht nur zu einer Frage der Komponentenauswahl.

Je nach Rack-Design können Sicherungen, Schütze und andere Schalt- oder Trennvorrichtungen an verschiedenen Stellen im Strompfad eingesetzt werden.

Ihre Anforderungen können je nach Installationsort unterschiedlich sein.

Ein Gerät in der Nähe der Haupt-Gleichstromquelle kann anderen Fehlerbedingungen ausgesetzt sein als ein weiter stromabwärts eingesetztes Gerät. Dauerstrom, Abschaltvermögen, Schaltanforderungen, thermische Bedingungen und elektrische Belastbarkeit müssen daher gemeinsam betrachtet werden.

Beim Schalten geht es nicht nur darum, Strom ein- und auszuschalten.

Gleichstrom-Schaltgeräte können in einem Hochleistungs-Rack mehrere Funktionen haben, darunter kontrolliertes Ein- und Ausschalten sowie elektrische Isolation.

Ihre Auswahl hängt von den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Systems ab.

Spannung und Stromstärke sind nur ein Teil des Gesamtbildes. Ingenieure müssen unter Umständen auch die Art der Last, die Schaltfrequenz, die zu erwartende elektrische Lebensdauer, Fehlerbedingungen und die Umgebungstemperatur des Geräts berücksichtigen.

Die umgebende Schutz- und Kontrollarchitektur spielt ebenfalls eine Rolle.

Aus diesem Grund kann nicht unbedingt dasselbe Schaltelement an jeder Position in einem Rack eingesetzt werden, nur weil seine Nennspannung und sein Nennstrom ausreichend erscheinen.

Wärme tritt häufig an den Grenzflächen auf.

Thermische Probleme gehen nicht immer vom größten Bauteil aus.

Bei hohen Stromstärken können Anschlusspunkte zu wichtigen Wärmequellen werden, da entlang des gesamten Strompfades ein elektrischer Widerstand auftritt.

Sammelschienenverbindungen, Klemmen, Steckverbinder und Schaltgeräte tragen alle zum gesamten thermischen Verhalten des Racks bei.

Daher ist die räumliche Anordnung von Bedeutung.

Eine Komponente kann unter bestimmten Bedingungen über ausreichende elektrische Kapazität verfügen, ihre tatsächliche Betriebstemperatur kann sich jedoch ändern, wenn sie in einem kompakten Rack mit eingeschränkter Luftzirkulation und nahen Wärmequellen installiert wird.

Bei KI-Systemen mit hohem Leistungsbedarf muss die thermische Bewertung dem elektrischen Prozess folgen und darf nicht als separates Problem behandelt werden.

Hochspannungsverteilung ändert sich stärker als Strom

Eine Gleichstromverteilung mit höherer Spannung kann den Strom in einem bestimmten Strompfad reduzieren, aber die Änderung wirkt sich auch auf die Komponenten in der Umgebung dieses Pfades aus.

Isolationsanforderungen, Kriech- und Luftstrecken, Schaltfähigkeit und Schutzkoordination müssen alle auf das gewählte Spannungsniveau abgestimmt sein.

Hier schließt sich der Kreis zwischen Rack-Level-Distribution und dem umfassenderen Trend hin zu KI-Rechenzentrumsarchitekturen mit höherer Spannung.

Das vorgelagerte Verteilungssystem kann von einem geringeren Strom profitieren, während die nachgelagerten Geräte möglicherweise andere Eingangs- und Umwandlungseigenschaften benötigen.

Die Spannungsentscheidung kann also nicht von der Rack-Architektur isoliert werden.

Die Beziehung zwischen der Hochspannungsverteilung und dem umfassenderen Stromversorgungssystem von KI-Rechenzentren wird in unserem Artikel über die 800-VDC-Stromverteilung in KI-Rechenzentren detaillierter erörtert.

Die Stromversorgung des Racks muss ebenfalls wartungsfähig sein.

Ein Hochleistungs-Rack ist nicht nur ein elektrisches System. Es handelt sich auch um ein Gerät, das überprüft, gewartet und gegebenenfalls modifiziert werden muss.

Da immer mehr Leistungskomponenten auf begrenztem Raum untergebracht werden, gewinnt die Zugänglichkeit zunehmend an Bedeutung.

Wenn ein Schaltgerät, eine Schutzkomponente oder ein Anschlusspunkt gewartet werden muss, müssen die Techniker wissen, wie dieser Abschnitt isoliert und der Zugang ermöglicht werden kann, ohne den Rest des Racks unnötig zu beeinträchtigen.

Dies kann von Beginn der Konstruktionsphase an Einfluss auf die physische Anordnung von Stromschienen, Schaltgeräten und Leistungsschnittstellen haben.

Eine kompakte Bauweise kann zwar den Platzbedarf reduzieren, sollte aber keine unnötigen Einschränkungen bei der Instandhaltung mit sich bringen.

Das Rack bildet das Bindeglied zwischen Stromwandlung und Server.

Die Stromversorgungseinheit und das Server-Stromversorgungssystem werden oft getrennt voneinander betrachtet, die Rack-Verteilung verbindet jedoch beide.

Der Strom verlässt das Rack, durchläuft die Rack-Verteilerstruktur und erreicht schließlich die Umwandlungsstufen, die die Serverelektronik versorgen.

Auf Serverebene ändern sich die Anforderungen erneut. Schnelle Laständerungen, Spannungsregelung, Wirkungsgrad und Stromwelligkeit gewinnen zunehmend an Bedeutung, und magnetische Bauteile wie Leistungsinduktivitäten werden Teil dieser nachgelagerten Wandlungsstufe.

Dadurch entsteht eine ununterbrochene Kette:

Stromwandlung → Rackverteilung → Stromwandlung → Serverlast

Betrachtet man die Kette auf diese Weise, wird es leichter verständlich, warum eine Änderung in einem Abschnitt die Anforderungen in einem anderen Abschnitt beeinflussen kann.

Was muss bei der Stromversorgung eines Racks überprüft werden?

Bevor man eine Rack-Architektur für Hochleistungsanwendungen endgültig festlegt, ist es sinnvoll, den tatsächlichen Strompfad zu verfolgen und jede Schnittstelle zu überprüfen, anstatt sich nur auf die Spezifikationen einzelner Komponenten zu konzentrieren.

Die Kernfragen sind relativ praktischer Natur:

• Wo wird der Strom in das Rack eingeführt?
• Wie wird die Last auf die verschiedenen Komponenten verteilt?
• An welchen Punkten wird der höchste Dauerstrom geführt?
• Wo kann der Verbindungswiderstand zusätzliche Wärme erzeugen?
• Wo ist eine Umschaltung oder Trennung erforderlich?
• Wie wird ein nachgelagerter Fehler isoliert?
• Ist der betreffende Bereich für Wartungsarbeiten sicher zugänglich?
• Entsprechen die ausgewählten Komponenten den tatsächlichen Spannungs-, Strom- und Temperaturbedingungen?

Dieser Ansatz hilft auch dabei, Probleme zu erkennen, die bei der Einzelbewertung der Komponenten möglicherweise nicht auftreten.

Die Stromverteilung muss als ein einziger Pfad konzipiert werden

Bei hohen Rack-Leistungen können Stromschienen, Verbindungen, Schutz-, Schalt- und Kühlsysteme nicht wirklich als unabhängige Teile betrachtet werden.

Sie alle arbeiten entlang des gleichen elektrischen Pfades.

Eine Änderung der Verteilungsspannung kann Auswirkungen auf die Schalt- und Isolationsanforderungen haben. Eine Erhöhung der Rack-Leistung kann die thermischen Bedingungen an Anschlüssen und Leitern verändern. Eine kompaktere Bauweise kann die Wartungsfreundlichkeit beeinträchtigen.

Diese Zusammenhänge machen die Stromverteilung auf Rack-Ebene zu einer wichtigen technischen Ebene zwischen dem Stromversorgungsschrank und dem Server.