Halbleiter mit großer Bandlücke steigern den Wirkungsgrad in Rechenzentren

Rechenzentren spielen in der zunehmend digitalen, vernetzten und virtualisierten Welt eine entscheidende und wesentliche Rolle. Da Rechenzentren einen enormen Energiebedarf haben, werden Stromversorgungslösungen benötigt, die Leistungsverluste reduzieren, die Effizienz steigern und die thermische Kontrolle verbessern können.

Der Datenverkehr im Internet hat in letzter Zeit erheblich zugenommen, was auf eine größere Zahl von Nutzern, die weit verbreitete Nutzung von Mobilgeräten und sozialen Netzwerken sowie die Fernspeicherung von Informationen in der Cloud zurückzuführen ist. Nach Ansicht von Analysten hat das Wachstum dieses Datenverkehrs noch nicht die volle Sättigung erreicht.

Diese Wachstumsprognosen werfen Fragen hinsichtlich der Effizienz der Geräte und des Stromverbrauchs auf, was die Entwicklung neuer energieeffizienter Energieumwandlungstechnologien, wie z. B. die von Leistungskomponenten mit großer Bandlücke (WBG), vorantreibt.

Effizienz ist oberstes Gebot

Zusätzlich zur physischen Infrastruktur ist ein Rechenzentrum eine Struktur, die vernetzte Computerserver für die elektronische Verarbeitung, Speicherung und Verteilung von Daten beherbergt. Die Schlüsselkomponente eines Rechenzentrums ist der Server, ein Gerät, das Daten speichert, die das Internet, das Cloud Computing und das Unternehmensintranet versorgen.

Der Energiebedarf steigt aufgrund der wachsenden Menge an digitalen Daten, die erzeugt, verarbeitet und gespeichert werden. Neben der Stromversorgung von Racks, Datenspeichern und Netzwerkeinheiten benötigen Rechenzentren auch zusätzliche Kühl- und Lüftungsanlagen, um die bei der Datenverarbeitung und der Umwandlung von elektrischer Energie entstehende Wärme abzuführen.

Die typische Struktur des in einem Rechenzentrum verwendeten Energieumwandlungssystems besteht aus mehreren AC/DC-, DC/AC- und DC/DC-Spannungswandlern, von denen die Effizienz des gesamten Rechenzentrums entscheidend abhängt. Die Verringerung der Verluste in den Wandlern, die die Datenverarbeitungs- und -speichergeräte mit Strom versorgen, hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen muss die nicht in Wärme umgewandelte Energie nicht zugeführt werden, zum anderen sinkt der Energiebedarf für die Entsorgung der Abwärme.

Die Effizienz von Rechenzentren wird häufig anhand der PUE-Kennzahl (Power Usage Effectiveness) gemessen. Der PUE-Wert wurde von The Green Grid als Standardmethode für den Vergleich des Energieverbrauchs von Rechenzentren entwickelt und ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Gesamtenergieverbrauch eines Rechenzentrums und dem Energieverbrauch der IT-Ausrüstung (Informationstechnologie).

Der PUE-Wert ist eine ausreichend grundlegende Statistik, um Bereiche mit Entwicklungsbedarf zu ermitteln. Obwohl es kein perfektes Maß ist, hat es sich zu einem Industriestandard entwickelt. Der PUE-Wert sollte idealerweise nahe bei Eins liegen, was bedeutet, dass das Rechenzentrum nur Strom benötigt, um seinen IT-Bedarf zu decken. Nach Angaben des National Renewable Energy Laboratory (NREL)2 liegt der durchschnittliche PUE-Wert jedoch bei 1,8. Die PUE-Werte von Rechenzentren sind sehr unterschiedlich, aber auf Effizienz ausgerichtete Rechenzentren erreichen häufig PUE-Werte von 1,2 oder weniger.

Ein hoher PUE-Wert kann verschiedene Ursachen haben, z. B. die folgenden:

• „Zombie“-Server (oder „komatöse“ Server) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs), d. h. Geräte, die zwar eingeschaltet sind, aber nicht voll genutzt werden. Dies umfasst auch unbeabsichtigt inaktive Geräte, die ohne Sichtbarkeit oder externe Kommunikation Strom verbrauchen
• Ineffiziente Backup- und Kühlstrategien
• Rechenzentren sind mehr auf Zuverlässigkeit als auf Effizienz ausgerichtet

Der Einsatz von frequenzvariablen Antrieben (VFD) für Kühlventilatoren und die Minimierung der Anzahl von Servern und USVs sind zwei gängige Methoden zur Senkung der PUE. In den letzten Jahren hat der Übergang von den alten 12V-Architekturen zu effizienteren 48V-Lösungen (siehe Abbildung 1) zu einer erheblichen Verringerung der Leistungsverluste (I2R-Verluste) geführt, so dass immer leistungsintensivere Verarbeitungssysteme mit effizienteren Lösungen ausgestattet werden können. Die Verwendung von 48 V in der Leistungsarchitektur führt zu sechzehnmal geringeren I2R-Verlusten. Dies trägt dazu bei, die immer anspruchsvolleren Anforderungen an die Energieeffizienz zu erfüllen, da eine einprozentige Effizienzsteigerung im gesamten Rechenzentrum mehrere Kilowatt einsparen kann.

Abbildung 1: WBG-Halbleiter bieten eine bessere Performance als Silizium. (Bildquelle: Researchgate)

Vorteile von WBG-Halbleitern in Rechenzentren

Obwohl Silizium (Si) die bekannteste Technologie ist, hat es eine kleinere Bandlücke als Materialien wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), was seine Betriebstemperatur senkt, seine Verwendung auf niedrigere Spannungen beschränkt und seine Wärmeleitfähigkeit verringert.

Der Einsatz leistungsfähigerer Komponenten, wie z. B. WBG-Halbleiter anstelle von Silizium, kann eine effektivere Alternative sein. WBG-Halbleiter wie GaN und SiC ermöglichen es, die Grenzen der Siliziumtechnologie zu überwinden, indem sie hohe Durchbruchspannungen, hohe Schaltfrequenzen, geringe Leitungs- und Schaltverluste, eine bessere Wärmeableitung und einen kleineren Formfaktor bieten (siehe Abbildung 1). Dies führt zu einer höheren Effizienz der Stromversorgungs- und Stromumwandlungsstufen. Wie bereits erwähnt, kann in einem Rechenzentrum bereits ein einziger Prozentpunkt Effizienzsteigerung zu erheblichen Energieeinsparungen führen.

GaN

GaN gehört zu den aufstrebenden Materialien mit großer Bandlücke, da es eine dreimal größere Elektronenbandlücke (3,4 eV) als Silizium (1,1 eV) aufweist. Außerdem hat GaN im Vergleich zu Silizium eine doppelt so hohe Elektronenbeweglichkeit. Die bekannte und unvergleichliche Effizienz von GaN bei sehr hohen Schaltfrequenzen wird durch seine enorme Elektronenbeweglichkeit ermöglicht.

Dank dieser Eigenschaften können GaN-basierte Leistungsbauelemente stärkeren elektrischen Feldern bei geringerer Chipgröße standhalten. Kleinere Transistoren und kürzere Strompfade führen zu einem extrem niedrigen Widerstand und einer geringen Kapazität, was bis zu 100-mal schnellere Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

Ein geringerer Widerstand und eine geringere Kapazität erhöhen auch die Effizienz der Energieumwandlung, so dass mehr Energie für Arbeitslasten in Rechenzentren zur Verfügung steht. Anstatt mehr Wärme zu erzeugen, was mehr Kühlung für das Rechenzentrum erfordern würde, können mehr Rechenzentrumsoperationen pro Watt durchgeführt werden. Durch das Schalten mit hoher Frequenz werden auch Größe und Gewicht der energiespeichernden passiven Komponenten verringert, da mit jedem Schaltzyklus wesentlich weniger Energie gespeichert wird. Ein weiterer Vorteil von GaN ist seine Fähigkeit, verschiedene Stromrichter- und Stromversorgungs-Topologien zu unterstützen.

Die wichtigsten Merkmale von GaN, die für Anwendungen in Rechenzentren relevant sind, sind die folgenden:

• Unterstützung für harte und weiche Schalttopologien
• Schnelles Ein- und Ausschalten (die GaN-Schaltwellenform ist nahezu identisch mit der idealen Rechteckwelle)
• Keine Umkehrerholungsladung
• Im Vergleich zur Si-Technologie:
  • 10-fach höheres Durchschlagsfeld
  • 2-fach höhere Mobilität
  • 10-fach niedrigere Ausgangsladung
  • 10-fach niedrigere Gate-Ladung und lineare Coss-Kennlinie

Diese Eigenschaften ermöglichen es GaN-Leistungsbauelementen folgende Lösungen zu realisieren:

• Hohe Effizienz, Leistungsdichte und Schaltfrequenzen
• Reduzierter Formfaktor und Durchlasswiderstand
• Geringes Gewicht
• Nahezu verlustfreier Schaltbetrieb.

Eine typische Zielanwendung für GaN-Leistungsbauelemente ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese brückenlosen Hochspannungs-Totem-Pole-PFC-Stufen und resonanten Hochspannungs-LLC-Stufen können die strengen Anforderungen von Server-Schaltnetzteilen erfüllen und erreichen einen flachen Wirkungsgrad von über 99 % über einen breiten Lastbereich und eine hohe Leistungsdichte.

Abbildung 2: Hocheffizientes GaN-Schaltnetzteil (SMPS) für Server in Rechenzentren (Quelle: Infineon)

SiC

Eine der ersten Anwendungen von SiC-Leistungsbauelementen in Rechenzentren waren die USV-Anlagen. USV ist für Rechenzentren unerlässlich, um die potenziell katastrophalen Auswirkungen eines Ausfalls oder einer Unterbrechung der Netzspannung auf den Betrieb zu verhindern. Redundante Stromversorgungen sind für die Gewährleistung der Betriebskontinuität und Zuverlässigkeit eines Rechenzentrums von entscheidender Bedeutung. Die Optimierung der Stromverbrauchseffizienz (PUE) des Rechenzentrums ist eine der obersten Prioritäten eines jeden Unternehmers und Betriebsleiters.

Für ein Rechenzentrum ist eine zuverlässige, konstante Stromquelle erforderlich. Um diese Anforderung zu erfüllen, werden häufig spannungs- und frequenzunabhängige (VFI) USV-Systeme eingesetzt. Ein AC/DC-Wandler (Gleichrichter), ein DC/AC-Wandler (Wechselrichter) und ein DC-Zwischenkreis bilden eine VFI-USV-Einrichtung. Ein Bypass-Schalter, der hauptsächlich bei Wartungsarbeiten verwendet wird, verbindet den USV-Ausgang direkt mit der Wechselstromquelle am Eingang. Im Falle eines Netzausfalls wird die Batterie, die in der Regel aus mehreren Zellen besteht, an einen Abwärts- oder Aufwärtswandler angeschlossen und versorgt das Netzteil.

Da die Wechselspannung am Eingang in Gleichspannung und dann wieder in eine präzise sinusförmige Ausgangsspannung umgewandelt wird, handelt es sich bei diesen Geräten in der Regel um Doppelwandlerschaltungen. Das Ergebnis ist die Eliminierung jeglicher Schwankungen der Versorgungsspannung, so dass die USV die Last mit einem gleichmäßigen und sauberen Signal versorgen kann. Durch die Spannungsumwandlung wird das System nicht nur von der Stromquelle isoliert, sondern die Last wird auch vor Spannungsschwankungen geschützt.

Bis vor kurzem hatten Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) mit dreistufigen Schalttopologien die besten Effizienzwerte. dank dieses Ansatzes konnte ein Wirkungsgrad von 96 % erreicht werden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Modellen auf Transformatorbasis darstellt.

Mit Hilfe von Siliziumkarbid-Transistoren konnten die Leistungsverluste (>70%) in USV-Doppelwandler-Systemen erheblich reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden. Der bemerkenswerte Wirkungsgrad (über 98 %) bleibt sowohl bei niedriger als auch bei hoher Last erhalten.

Derartige Ergebnisse sind aufgrund der spezifischen Eigenschaften von Siliziumkarbid möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Bauelementen wie MOSFETs und IGBTs kann SiC bei höheren Temperaturen, Frequenzen und Spannungen betrieben werden.

Ein zusätzlicher Vorteil von USVs auf SiC-Basis ist ein besserer Wärmeverlustwert (oder Wärmeabweisung), der den Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht. Dieses Merkmal ermöglicht kompaktere und wirtschaftlichere Kühllösungen. Insgesamt ist eine USV auf SiC-Basis effizienter, leichter und kleiner als ein entsprechendes Modell mit Komponenten auf Siliziumbasis.

Halbleiter auf SiC-Basis können aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften bei höheren Temperaturen arbeiten als herkömmliche Si-Halbleiter. Die Kühlkosten des Kunden können dadurch gesenkt werden, da die USV weniger Wärme verliert und bei höheren Temperaturen arbeiten kann.

Bei der Maximierung des verfügbaren Platzes in einem Rechenzentrum reduziert eine USV auf SiC-Basis das Gewicht und die Größe im Vergleich zu einer herkömmlichen USV auf Si-Basis. Darüber hinaus benötigt eine USV auf SiC-Basis weniger Stellfläche und erhöht die verfügbare Stromkapazität auf einer bestimmten Fläche.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass WBG-Materialien wie GaN und SiC aufstrebende Halbleiter sind, die einen neuen Weg für die Leistungselektronik in anspruchsvollen Anwendungen wie z. B. Rechenzentren einschlagen werden. Zu ihren Vorteilen gehören eine höhere Systemeffizienz, geringere Anforderungen an das Kühlsystem, der Betrieb bei höheren Temperaturen und eine höhere Leistungsdichte. Mit der Integration von GaN- und SiC-Leistungsbauelementen in Spannungswandler und Stromversorgungen werden die Ziele von Rechenzentrumsbetreibern erreicht, höhere Wirkungsgrade zu erzielen, den Platzbedarf zu maximieren und die Betriebskosten in der gesamten Einrichtung zu senken.