Effektives Energiemanagement für KI-Rechenzentren

Der Aufstieg der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) hat zu einem noch nie dagewesenen Leistungsbedarf geführt. Die nächste Generation von Rechenzentren steht vor großen Herausforderungen in Bezug auf Energiemanagement, Effizienz und Zuverlässigkeit. Herkömmliche Stromversorgungslösungen haben oft Schwierigkeiten, diese Anforderungen auf der Ebene der einzelnen Komponenten und des gesamten DCIM (Datacenter Infrastructure Management) zu erfüllen. Fortschrittliche Leistungskomponenten und integrierte Überwachungslösungen bieten einen umfassenden Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderungen.

So sorgt beispielsweise die Hybridkondensatortechnologie für eine stabile Stromversorgung, Lösungen mit extrem niedrigem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) für Effizienz bei der Umwandlung hoher Ströme, hochpräzise Widerstände für eine präzise Stromüberwachung und die drahtlose Integration für ein umfassendes Strommanagement.

In diesem Artikel wird untersucht, wie diese Elemente dazu beitragen, robuste Energiemanagementsysteme für KI-gesteuerte Rechenzentren zu schaffen. Anschließend werden Lösungen von Panasonic für alle vier Bereiche vorgestellt und ihre Anwendung in modernen Rechenzentrumsumgebungen demonstriert.

Effiziente Stromversorgung für Rechenzentren mit Hybridkondensatortechnologie

Moderne Rechenzentren benötigen eine umfangreiche Energieumwandlung. Sie benötigen in der Regel Hunderte von Kilovolt Wechselstrom (kVAC) aus dem Netz. Diese Spannung wird zunächst auf einige zehn Kilovolt (kVAC) heruntergestuft, um sie dann auf dem Gelände des Rechenzentrums zu verteilen. Anschließend wird es in Hunderte von VAC umgewandelt und an die Geräteracks verteilt.

Auf der Rack-Ebene wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, in der Regel 12 Volt DC (VDC), um die Anforderungen der IT-Geräte zu erfüllen. Schließlich wird die Spannung innerhalb jedes Geräts weiter auf niedrigere Werte reguliert, oft zwischen 1,1 und 5 Volt, um die einzelnen Komponenten wie Prozessoren und Speichermodule zu versorgen.

Jeder Schritt in dieser Kette führt zu Verlusten, die die Gesamteffizienz des Rechenzentrums erheblich beeinträchtigen können. Entwickler von Stromversorgungssystemen für Rechenzentren verwenden zunehmend WBG-Halbleiter (WBG = Wide-Bandgap, große Bandlücke) wie Galliumnitrid (GaN), um die Verluste in den späteren Umwandlungsphasen zu minimieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauelementen (Si) erreichen WBG-Bauelemente eine höhere Effizienz durch höhere Schaltfrequenzen und geringere Leitungsverluste.

Die in diesen Umrichtern verwendete Kondensatortechnologie stellt jedoch erhebliche Herausforderungen an die Konstruktion. Entwicklern von Stromversorgungssystemen stehen traditionell zwei bewährte Kondensatortechnologien zur Verfügung: herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die sich durch einen geringen Leckstrom auszeichnen, und Polymerkondensatoren, die hervorragende ESR-Eigenschaften aufweisen. Die hybriden Aluminium-Elektrolytkondensatoren der EEH-Serie von Panasonic (Abbildung 1) stellen eine dritte Option dar, die die Stärken beider Varianten kombiniert, um die Verluste durch Leckstrom und ESR zu minimieren.

Abbildung 1: Die hybriden Aluminium-Elektrolytkondensatoren der EEH-Serie minimieren die Verluste aufgrund von Leckstrom und ESR. (Bildquelle: Panasonic)

Hybride Kondensatoren haben noch weitere Vorteile, wie z. B. eine höhere Zuverlässigkeit bei Leerlauffehlern und die Beibehaltung der Nennkapazität bei viel höheren Frequenzen als bei herkömmlichen Designs. Während herkömmliche Kondensatoren bei Frequenzen im Bereich von einigen zehn Kilohertz (kHz) an Wirksamkeit verlieren, behalten Hybridkondensatoren ihre Leistungsfähigkeit bei Frequenzen von nahezu 1 Megahertz (MHz). Diese höhere Betriebsfrequenz ermöglicht die Verwendung kleinerer Kondensatoren, so dass Entwickler kompaktere Wandler entwerfen oder Platz auf der Platine für zusätzliche Funktionen schaffen können.

Ein typisches Beispiel für einen Hybridkondensator ist der EEH-ZA1V151P. Dieser 35-Volt-Baustein mit einer Kapazität von 150 Mikrofarad (µF) hat einen niedrigen ESR von 27 Milliohm (mΩ), einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis ca. +105°C und eine Lebensdauer von 10.000 Stunden (bei +105°C). Seine Eignung für Rechenzentrumsanwendungen wird auf dem DC/DC-Wandler-Evaluierungsboard EVLMG1-250WLLC von STMicroelectronics demonstriert (Abbildung 2). Dieses GaN-Board erreicht Leistungsdichten von 20 Watt pro Kubikzoll (W/in³) mit einem Wirkungsgrad von mehr als 92 %.

Abbildung 2: Das GaN-DC/DC-Wandler-Evaluierungsboard EVLMG1-250WLLC demonstriert das Potenzial des Hybridkondensators. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Vorteile von Kondensatoren mit niedrigem ESR für die Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad

Der Trend zu DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte in Rechenzentren stellt das Wärmemanagement vor besondere Herausforderungen. Die zunehmende Leistungsdichte und der kleinere Footprint der Bauteile können die Betriebstemperaturen drastisch erhöhen.

Die Minimierung des ESR eines Kondensators kann diese thermischen Herausforderungen teilweise lösen. Da die Verlustleistung der I²R-Beziehung folgt, führt eine Verringerung des Widerstands direkt zu einer Verringerung der Verlustleistung und folglich auch der Wärmeentwicklung. Daher ist ein niedriger ESR entscheidend für die Aufrechterhaltung sicherer Betriebstemperaturen in kompakten Konstruktionen.

Doch selbst die effizientesten Kondensatoren können aufgrund ihrer Umgebung hohe Betriebstemperaturen aufweisen. Daher ist es wichtig, einen Kondensator zu wählen, der der Hitze in einem dicht gepackten Rechenzentrum standhält. Abbildung 3 zeigt eine Auswahltabelle, in der unter anderem die Betriebstemperatur berücksichtigt wird.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt eine Auswahlhilfe für Hybridkondensatoren auf der Grundlage von Brummstrom, Kapazität, Größe und Betriebstemperatur. (Bildquelle: Panasonic)

Während die hohen Schaltfrequenzen, die durch die GaN-Technologie ermöglicht werden, kleinere Gehäuse erlauben, muss die Kondensatortechnologie eine angemessene Kapazität beibehalten, um hohe Brummströme zu bewältigen. Mit Kapazitätsoptionen von 47 μF bis 680 μF und der Fähigkeit, bis zu 2,3 Ampere (A) bei 100 kHz zu verarbeiten, sind die Hybridkondensatoren der Serie EEH-ZL die Antwort auf diese Herausforderungen. Sie bieten außerdem einen garantierten Betrieb bis +135°C und einen ESR von bis zu 14 mΩ.

Ein Beispiel ist der Kondensator EEH-ZL1E681P mit 680 μF, der einen ESR von 14 mΩ und einen Gehäusedurchmesser von 10,0 mm hat.

Verwendung hochpräziser Widerstände für eine präzise Leistungsüberwachung

DC/DC-Wandler in Anwendungen für Rechenzentren erfordern eine hochpräzise Rückkopplung für die Leistungsregelung. Dies ist besonders kritisch bei GaN-basierten Designs, bei denen selbst kleine Fehler in der Tastverhältnis-Rückkopplung zu gefährlichen Überspannungen oder Überströmen führen können.

Es gibt zwar verschiedene Stromsensortechnologien, aber Shunt-Widerstände sind besonders interessant für die platzbeschränkten Umgebungen von Servern, Speicherinfrastrukturen und Stromversorgungen. Die hohe Leistungsdichte moderner Designs stellt jedoch eine große Herausforderung für die resistive Strommessung dar.

Die größte Herausforderung liegt in der thermischen Stabilität. Die Widerstandswerte können bei wechselnden Betriebstemperaturen erheblich abweichen, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. Dies macht den thermischen Widerstandskoeffizienten (TCR) zu einer kritischen Angabe. Er muss so niedrig wie möglich sein, um die Messgenauigkeit über die großen Temperaturbereiche hinweg zu erhalten, die im Betrieb von Rechenzentren auftreten.

Die Widerstände der Serie ERA-8P von Panasonic (Abbildung 4) erfüllen diese Anforderungen durch mehrere innovative Merkmale:

• Ein ultraniedriger TCR von ±15 ×10^-6 pro Grad Kelvin (K), erreicht durch präzise Dünnfilmverarbeitung
• Eine spannungsreduzierende, weiche Harzschicht unter dem Widerstand, die die Bildung von Lötrissen während thermischer Wechselbeanspruchung minimiert
• Eine glatte Aluminiumoxid-Substratoberfläche, die eine gleichmäßige Widerstandsschichtdicke gewährleistet
• Ein langes, feines Serpentinen-Widerstandsmuster, das die Stromlastkonzentration zerstreut und einen branchenführenden Widerstand gegen elektrostatische Entladung (ESD) bietet

Abbildung 4: Die Widerstände der Serie ERA-8P sind für hohe thermische Stabilität ausgelegt. (Bildquelle: Panasonic)

Der ERA-8PEB1004V demonstriert diese Fähigkeiten mit Spezifikationen, die für die Stromüberwachung in Rechenzentren geeignet sind:

• Eine hohe Grenzwertspannung von 500 V bei 1 MΩ zur Überwachung von Hochspannungsstromschienen
• Eine Nennleistung von 0,25 W sorgt für minimalen Leistungsverlust
• Betriebstemperaturbereich: -55 °C bis +155 °C
• Hervorragender Widerstand gegen elektrostatische Entladungen (ESD) für zuverlässigen Betrieb in Umgebungen mit hohem Stromverbrauch

Wi-Fi zur Überwachung der Energieeffizienz

DCIM ist mit zunehmender Komplexität konfrontiert, da KI-Workloads den Einsatz von mehr Servern, Speichersystemen und Stromversorgungseinheiten erfordern. Die Überwachung des Stromverbrauchs dieser Systeme ist für die Optimierung der Effizienz von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche kabelgebundene Überwachungslösungen sind jedoch mit zusätzlichen Kosten, Komplexität und Problemen bei der Kabelverwaltung verbunden, die sich mit zunehmender Größe der Anlagen noch verstärken.

Die drahtlose Überwachung bietet eine elegante Lösung für diese Herausforderungen. Es ermöglicht Echtzeit-Energiemanagement durch Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand. Dieser Ansatz bietet eine größere Flexibilität bei der Auf- und Abwärtsskalierung des Betriebs, ohne dass die physischen Verbindungen neu konfiguriert werden müssen.

Drahtlose Module für Anwendungen in Rechenzentren müssen jedoch mehrere strenge Anforderungen erfüllen:

• Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Verbindung in Umgebungen mit zahlreichen Hindernissen und potenziellen Störquellen
• Minimierung des Stromverbrauchs, um die Gesamteffizienz zu steigern
• Kompakte Formfaktoren zur Integration in vorhandene Geräte
• Robuste Sicherheitsfunktionen zum Schutz sensibler Daten im Rechenzentrum

Das PAN9320-Wi-Fi-Modul ENW-49A01A3EF von Panasonic (Abbildung 5) löst diese Herausforderungen durch seinen umfassenden Funktionsumfang:

• Der 2,4-GHz-Betrieb bietet eine hervorragende Durchdringung von Hindernissen in Rechenzentren und gewährleistet gleichzeitig eine breite Kompatibilität durch die Unterstützung der Standards 802.11b/g/n.
• Die Energieeffizienz wird durch einen minimalen Stromverbrauch von 430 Milliampere (mA) für das Senden (Tx) und 160 mA für den Empfang (Rx) im 802.11b-Modus gewährleistet.
• Das kompakte, oberflächenmontierbare Design von 29,0 mm × 13,5 mm × 2,66 mm vereinfacht die Integration.
• Integrierte Sicherheitsfunktionen wie TLS/SSL, HTTPS und WPA2 schützen sensible Daten.

Diese Funktionen ermöglichen es den Betreibern von Rechenzentren, eine umfassende Stromüberwachung zu implementieren und gleichzeitig den physischen und betrieblichen Aufwand zu minimieren, der normalerweise mit solchen Systemen verbunden ist.

Abbildung 5: Der ENW-49A01A3EF bietet eine umfassende 2,4-GHz-Wi-Fi-Lösung für effektives DCIM. (Bildquelle: Panasonic)

Fazit

Die Anforderungen von KI-Workloads erfordern ein Umdenken in der Energieinfrastruktur, von der Auswahl einzelner Komponenten bis hin zu anlagenweiten Überwachungssystemen. Panasonics Portfolio an Hybridkondensatoren, Technologie mit ultraniedrigem ESR, Präzisionswiderständen und drahtloser Netzwerktechnik bietet Rechenzentrumsbetreibern die Werkzeuge, die sie benötigen, um effiziente, skalierbare Stromversorgungssysteme zur Unterstützung von KI-Anwendungen der nächsten Generation aufzubauen und zu warten.