Wie 800 VDC die Stromverteilung in KI-Rechenzentren verändert

KI-Computing verändert die elektrische Architektur von Rechenzentren.

Da die Leistung von Beschleunigern und Racks stetig steigt, wird die Bereitstellung höherer Leistungen über herkömmliche Verteilungsmethoden zunehmend schwieriger. Höhere Leistung bei gleicher Spannung bedeutet höhere Ströme, was sich direkt auf Leiter, Stromschienen, Steckverbinder, Umrichter, Wärmemanagement und Schutzkomponenten auswirkt.

Dies ist einer der Gründe, warum Hochspannungs-Gleichstromarchitekturen zunehmend Beachtung finden.

Unter den Ansätzen, die für die KI-Infrastruktur der nächsten Generation entwickelt werden, etabliert sich die 800-VDC-Stromverteilung als wichtige architektonische Richtung. NVIDIA hat öffentlich eine 800-VDC-Architektur für zukünftige KI-Fabriken vorgestellt und damit einen Übergang von der herkömmlichen Wechselstromversorgung hin zu einer Gleichstromverteilung mit höherer Spannung näher an der Rechenlast beschrieben.

Der Übergang ist nicht einfach nur eine Änderung der Nennspannung. Er verändert die Art und Weise, wie Energie im gesamten Rechenzentrum umgewandelt, verteilt, geschaltet und geschützt wird.

Warum sich die KI-Energiearchitektur in Richtung höherer Gleichspannung bewegt

Der grundlegende Zusammenhang zwischen Leistung, Spannung und Stromstärke ist einfach:

P = V × I

Bei gleicher Leistung verringert eine Erhöhung der Verteilungsspannung den benötigten Strom.

Beispielsweise benötigt die Bereitstellung von 800 kW bei 400 V etwa 2.000 A, während die gleiche Leistung bei 800 V etwa 1.000 A benötigt, wobei Systemverluste und tatsächliche Betriebsbedingungen noch nicht berücksichtigt werden.

Niedrigere Stromstärken können wichtige Konsequenzen für Hochleistungsinfrastrukturen haben.

Dadurch kann der erforderliche Leiterquerschnitt reduziert und die Widerstandsverluste verringert werden. Außerdem können die Abmessungen und die thermische Belastung von Hochstromverteilungspfaden reduziert werden.

Dies gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die Leistungsaufnahme von KI-Racks deutlich höher ist als die in herkömmlichen Unternehmensrechenzentren.

Ziel ist es daher nicht einfach, die Spannung zu erhöhen. Das übergeordnete technische Ziel ist die Bereitstellung hoher Leistung bei gleichzeitig optimaler elektrischer Effizienz, physikalischer Skalierbarkeit, thermischer Leistungsfähigkeit und Systemzuverlässigkeit.

Von konventioneller Wechselstromverteilung zu Gleichstrom höherer Spannung

Herkömmliche Stromversorgungssysteme für Rechenzentren basieren üblicherweise auf mehreren Umwandlungsstufen zwischen Netzstrom und IT-Geräten.

Ein vereinfachter Weg könnte Folgendes umfassen:

Netzwechselstrom → Wechselstromverteilung → Leistungsumwandlung → Rack-Leistungsumwandlung → Serverlasten

Jeder Umwandlungsschritt verursacht elektrische Verluste und erfordert zusätzliche Ausrüstung.

Bei KI-Infrastrukturen mit hoher Dichte gewinnen die Anzahl und der Standort dieser Konvertierungsstufen zunehmend an Bedeutung.

Eine 800-VDC-Architektur ermöglicht es, die Gleichstromverteilung mit höherer Spannung näher an die Computergeräte heranzuführen:

Stromversorgung des Versorgungsunternehmens/der Anlage → AC-zu-800-VDC-Wandlung → 800-VDC-Verteilung → Rack-Wandlung → KI-Rechenlasten

Die genaue Architektur variiert je nach Anlage und Geräteplattform. Bestehende Rechenzentren können auch Hybridlösungen nutzen, anstatt ihre gesamte elektrische Infrastruktur zu ersetzen.

Dies bedeutet, dass der Übergang zu 800 VDC eher als architektonische Weiterentwicklung denn als einmalige Geräteaufrüstung betrachtet werden sollte.

Wie 800 VDC den Strompfad verändern

Höhere Gleichspannungen verändern mehrere Teile des elektrischen Pfades.

1. Geringerer Strom bei gleicher Leistung

Der direkteste Effekt ist die Verringerung des Stroms.

Bei gleichbleibendem Leistungsbedarf halbiert sich der Strom annähernd durch eine Verdopplung der Spannung. Dies kann dazu beitragen, die elektrische Belastung von Leitern, Steckverbindern und Verteilerstrukturen zu reduzieren.

Bei großen KI-Einrichtungen, in denen Hunderte von Kilowatt oder mehr über einen Strompfad geliefert werden, wird der Unterschied erheblich.

2. Unterschiedliche Vertriebsanforderungen

Die Übertragung von Hochspannungs-Gleichstrom durch das Rechenzentrum stellt neue Anforderungen an die Verteilanlagen.

Leiter, Stromschienen, Steckverbinder, Schaltgeräte und Schutzkomponenten müssen alle für die tatsächlichen Gleichspannungs- und Strombedingungen geeignet sein.

Die elektrischen Abstände, das Isolationssystem, die thermische Auslegung und die Installationsumgebung sind ebenfalls wichtige Faktoren.

Höhere Spannungsverteilung bedeutet daher nicht einfach, dass die gleichen Komponenten mit einer höheren Nennspannung verwendet werden.

3. Weniger Konvertierungsstufen

Eine der Hauptmotivationen für die Entwicklung von Hochspannungs-Gleichstromarchitekturen ist das Potenzial, den Stromwandlungspfad zu vereinfachen.

Durch die Reduzierung unnötiger Umwandlungsstufen lassen sich die kumulativen Umwandlungsverluste verringern und die Leistungsdichte möglicherweise verbessern.

Dies beseitigt jedoch nicht die DC-DC-Wandlung.

KI-Server und -Beschleuniger benötigen nach wie vor streng geregelte Spannungsversorgungen, daher muss die Stromversorgungsarchitektur den Übergang von der Hochspannungsverteilung zu den für die Rechengeräte erforderlichen niedrigeren Spannungen bewältigen.

Die Lage und Effizienz dieser Umwandlungsstufen werden daher zu wichtigen Bestandteilen der Gesamtarchitektur.

Neue Anforderungen an Hochspannungs-Gleichstromkomponenten

Ein 800-VDC-System erzeugt im Vergleich zu Niederspannungsverteilungssystemen andere Betriebsbedingungen für elektrische Komponenten.

Die Bauteilanforderungen müssen anhand des tatsächlichen Schaltkreises und nicht nur anhand der Nennspannung bewertet werden.

Wichtige Überlegungen können Folgendes umfassen:

• Dauerbetriebsspannung
• Dauer- und Spitzenstrom
• Gleichstrom-Schaltbedingungen
• Fehlerstrom
• Bremsvermögen
• Anforderungen an die elektrische Trennung
• Thermische Bedingungen
• Schaltfrequenz
• Elektrische Belastbarkeit
• Installations- und Kriech-/Luftstreckenanforderungen

Diese Faktoren sind besonders wichtig für Komponenten, die an Schalt- und Schutzfunktionen beteiligt sind.

Beispielsweise kann ein Gleichstromschütz erforderlich sein, um einen Hochspannungs-Gleichstromkreis während des normalen Betriebs, der Wartung oder der Fehlerbehebung zu verbinden oder zu trennen.

Eine Gleichstromsicherung kann verwendet werden, um an einer geeigneten Stelle im Strompfad einen Überstromschutz zu gewährleisten.

Die endgültige Komponentenauswahl sollte daher auf den elektrischen Eigenschaften und den Betriebsbedingungen des jeweiligen Systems basieren.

Schalten und Trennen gewinnen an Bedeutung

Die Gleichstromverteilung mit höheren Spannungen verändert auch die Anforderungen an die Schaltungstrennung.

Im Gegensatz zu Wechselstromsystemen durchläuft Gleichstrom nicht in jedem Zyklus einen Nulldurchgang. Die Unterbrechung eines Gleichstroms erfordert daher Bauteile, die speziell für die jeweiligen Spannungs-, Strom- und Schaltbedingungen ausgelegt sind.

Für leistungsstarke KI-Infrastrukturen können an verschiedenen Stellen der elektrischen Architektur Schaltvorrichtungen erforderlich sein.

Je nach Systemdesign können dies folgende Punkte sein:

• Haupt-Gleichstromverteilung
• Leistungswandlungsschnittstellen
• Strompfade auf Rackebene
• Schnittstellen für Energiespeicher
• Wartungsisolierungspunkte
• Notabschaltkreise

Der Zweck dieser Schaltpunkte besteht nicht nur in der Steuerung des normalen Stromflusses. Sie können auch Systemisolierungs- und Wartungsverfahren unterstützen.

Mit zunehmender Dezentralisierung der Stromversorgungsarchitektur können klar definierte Isolationspunkte den Ingenieuren helfen, einzelne Abschnitte zu steuern, ohne den Rest des Systems unnötig zu beeinträchtigen.

Der Schutz muss der neuen Architektur folgen

Die Hochspannungsverteilung verändert auch die Anforderungen an den Schutz.

Eine Schutzeinrichtung muss unter den tatsächlichen Bedingungen des Stromkreises abnormale Ströme unterbrechen. Nennspannung und Nennstrom sind lediglich Ausgangspunkte.

Bei einem 800-VDC-Strompfad müssen Ingenieure möglicherweise Folgendes berücksichtigen:

• Verfügbarer Kurzschlussstrom
• Anforderungen an die Gleichstromunterbrechung
• Störungsbeseitigungszeit
• Koordination zwischen Schutzvorrichtungen
• Normaler Betriebsstrom
• Spitzen- und Übergangsbedingungen
• Thermische Umgebung
• Installationsort

Der Schutz sollte auch mit der Architektur abgestimmt werden.

Eine Sicherung, die in der Nähe einer Leistungsumwandlungsstufe installiert ist, kann andere Anforderungen stellen als eine Schutzvorrichtung, die in einem Abzweigstromkreis auf Rack-Ebene installiert ist.

In ähnlicher Weise können bei einem Gleichstromschütz, der für gesteuerte Schaltvorgänge verwendet wird, je nach Last und Schaltvorgang unterschiedliche Anforderungen an die elektrische Belastbarkeit gestellt werden.

Dieser systemische Ansatz gewinnt zunehmend an Bedeutung, da KI-Energiesysteme auf eine höhere Leistungsdichte hinarbeiten.

Die Rolle von Induktivitäten bei der Hochleistungs-Gleichstromwandlung

Höhere Versorgungsspannungen beseitigen nicht die Notwendigkeit der Leistungsumwandlung.

Nachdem die 800 VDC den entsprechenden Verteilungspunkt erreicht haben, kann unter Umständen noch eine DC/DC-Wandlung erforderlich sein, um die von den nachgelagerten Stromversorgungssystemen benötigten Spannungspegel bereitzustellen.

Induktivitäten sind wichtige passive Bauelemente in vielen Schaltnetzteilen.

Ihre elektrischen Eigenschaften beeinflussen die Stromwelligkeit, die Energiespeicherung, die Filterung und das Verhalten des Wandlers.

Bei höheren Leistungspegeln hängt die Induktorauslegung auch eng mit der thermischen Leistung, den magnetischen Verlusten, den Sättigungseigenschaften und der physikalischen Größe zusammen.

Aus diesem Grund führt der Übergang zu höheren Gleichspannungen nicht nur zu einer Nachfrage nach Hochspannungsschalt- und Schutzkomponenten, sondern stellt auch neue Anforderungen an die passiven Bauelemente, die in den Wandlungsstufen eingesetzt werden.

Was 800 VDC für die Stromversorgung von KI-Rechenzentren bedeutet

Der Schritt hin zu 800 VDC ist im Wesentlichen eine Reaktion auf die zunehmende Leistungsdichte von KI-Computing-Systemen.

Anstatt einfach bestehende Niederspannungsverteilungssysteme zu skalieren, um höhere Ströme zu bewältigen, bieten Hochspannungs-Gleichstromarchitekturen eine andere Möglichkeit, die elektrischen und physikalischen Beschränkungen zu bewältigen, die mit der KI-Infrastruktur der nächsten Generation verbunden sind.

Die wichtigsten Designänderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: