DC/DC-Wandler für KI-Rechenzentren: Platz- und thermische Herausforderungen meistern

Generative KI hat das Rechenzentrum in eine KI-Fabrik verwandelt, in der die Performance direkt an die Rechendichte und damit an die Energiedichte gebunden ist, die man in ein Rack packen kann. Moderne GPUs erreichen bereits mehr als 1 kW pro Komponente. Das Ergebnis sind Leistungsdichten im Megawattbereich, die herkömmliche Verteilungs-, Umwandlungs- und Kühlsysteme weit über ihre Grenzen hinaus belasten. Die Betreiber erweitern ihre Anlagen um Flüssig- und Hybridkühlung, da die thermische Belastung durch ineffiziente Energieumwandlung die Kühlkosten in die Höhe treibt. Mit anderen Worten: Jeder Bruchteil an Effizienz, der im vorgelagerten Bereich gewonnen wird, zahlt sich doppelt aus - einmal in Form von eingesparter Leistung und ein zweites Mal in Form von Leistung, die nicht abgeführt werden muss.

Die Antwort der Industrie ist ein entscheidender architektonischer Wandel hin zur Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilung (HGÜ) und zur mehrstufigen DC/DC-Stromwandlung. Die Umstellung von 48V-Racks auf ±400 oder 800 V DC verringert die Kupfermasse und die I²R-Verluste. Die Umwandlung von HVDC in 48 V ermöglicht es den Nutzern, auf bestehende 48V-Busarchitekturen für Stromverteilungsplatinen und Hauptplatinen zurückzugreifen, um sie auf 12 V herunterzuwandeln und dann mithilfe von Spannungsreglern auf die von KI-Prozessoren benötigten Unterspannungsschienen zu bringen.

Warum die dreistufige DC/DC-Wandlung für KI-Workloads von Vorteil ist

Eine dreistufige Umwandlung von HGÜ über einen Zwischenkreisumrichter (IBC) bis hin zu vertikaler Leistung oder Regulierung nahe an den Chips hat sich de facto als Blaupause für Hyperscale- und KI-Implementierungen etabliert (Abbildung 1):

1. HVDC-Verteilung (±400 V oder 800 V DC)
   • Minimiert den Strom in den Stromschienen, wodurch das Kupfergewicht und die Leitungsverluste stark reduziert werden. Sie bereitet zudem Einrichtungen für >100kW-Racks und Cluster der MW-Klasse vor, die jetzt auf Roadmaps zu sehen sind.
2. Zwischenkreisumrichter (48 V → 12 V oder 13,2 V oder 6 bis 7 V)
   • Der Zwischenkreisumrichter (IBC) schafft die Voraussetzungen für eine effiziente Lastpunktregelung. Die Wahl von 4:1 (≈12 V) gegenüber 8:1 (≈6 V) ist ein strategischer Kompromiss: Bei gleichen Kilowatt halbiert 4:1 den Strom im lokalen Bus im Vergleich zu 8:1, was mehr Platzierungsfreiheit und geringere Verteilungsverluste vor dem mehrphasigen Spannungsreglermodul (VRM) ermöglicht. 8:1 bietet sich an, wenn Boards sehr niedrige Busspannungen in der Nähe der Last benötigen, aber eine geringere Nähe zum VRM erwarten, um I²R-Einbußen zu vermeiden.
3. Vertikale Leistungsabgabe (VPD) / VRM
   • Stromschienen mit Nennströmen von Hunderten bis zu über 1000 A werden in einem Abstand von wenigen Zentimetern oder sogar Millimetern zum Chip verlegt, häufig unterhalb des Gehäuses, um parasitäre Effekte und den Ir-Abfall zu minimieren. Hier erfolgt die Regelung bei weniger als 1 V mit dynamischen Lastschritten, die durch GPU/KI-Transienten angetrieben werden.

Die sich über diese Phasen hinweg verstärkende Effizienz ist von entscheidender Bedeutung. Da die Leistung von KI-Racks bereits 250 kW übersteigt, kann eine durchgängige Verbesserung von weniger als 1 bis 2 Prozentpunkten zu einer Einsparung von mehreren Kilowatt an Wärme und Zehntausenden von Dollar pro Rack und Jahr führen, wenn man die Kühlkosten mit einberechnet.

Abbildung 1: 3-stufige Energieumwandlung. (Bildquelle: Flex Power Modules)

Einführung von IBCs der nächsten Generation mit hoher Packungsdichte und hoher Effizienz

Flex Power Modules bietet ein Portfolio, das explizit auf KI-Rechenzentren abgestimmt ist: hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad, digitale Steuerung (PMBus) und konsistente Footprints, so dass Kunden skalieren können, ohne ein neues Layout ihrer Boards zu benötigen.

1. Zwischenbuswandler mit festem Übersetzungsverhältnis von 4:1

BMR316 - 1 kW nicht isoliert, ungeregelter 4:1-IBC

• Eingang 38 V bis 60 V → Ausgang 9,5 V bis 15 V
• Ungeregeltes Verhältnis von 4:1
• 1 kW Dauerleistung, 2,8 kW Spitzenleistung (Nachfolger von BMR313)
• Bis zu 97,7% Wirkungsgrad bei 50% Last (54 V Eingang)
• Ultra-kleines LGA-Gehäuse: 23,4 × 17,8 × 7,65 mm; optimiert für Kaltwandmontage oder Flüssigkeitskühlung
• PMBus-Telemetrie; integrierbar mit der Software „Flex Power Designer“; https://flexpowermodules.com/flex-power-designer

Dieses Produkt zielt auf platzbeschränkte KI-Beschleunigerkarten ab, die einen 12V- bis 13,5V-Zwischenbus benötigen, ohne die Effizienz bei Spitzentransienten zu beeinträchtigen.

Abbildung 2: BMR316 von Flex Power Modules. (Bildquelle: Flex Power Modules)

2. Geregelte 48 V/54 V zu 12 V im 1/4-Brick-Format

BMR352 - 2 kW nicht isoliert, geregelter 12V-IBC (1/4-Brick-Format)

• Eingang 40 V bis 60 V, Ausgang 8 V bis 13,2 V
• Bis zu 2 kW Dauerleistung, 3 kW Spitzenleistung
• ~98% Spitzenwirkungsgrad, PMBus, aktive Stromverteilung für Parallelbetrieb
• 1/4-Brick-Standardformat für einfache thermische/mechanische Integration

Anwendungsfälle: Geregelte 12V-Schienen für Basisboards und Schlitten, die eine enge Spannungstoleranz bei großer Lastdynamik benötigen.

Abbildung 3: BMR352 von Flex Power Modules. (Bildquelle: Flex Power Modules)

3. Zwischenbuswandler mit festem Übersetzungsverhältnis von 8:1

BMR323 - Nicht isoliert, digital, festes Übersetzungsverhältnis von 8:1

• Eingang 40 V bis 60 V → Ausgang 5,0 V bis 7,5 V
• Ungeregeltes Verhältnis von 8:1
• Ziel: 600 W Dauerleistung, 1,2 kW Spitzenleistung
• Bis zu 97,8% Wirkungsgrad bei 50% Last (54 V Eingang)
• Ideal für Zwischenschienen von 6 V bis 7 V zur Versorgung von Speicher- und Hilfslasten, die von der 8:1-Topologie profitieren.

Abbildung 4: BMR323 von Flex Power Modules. (Bildquelle: Flex Power Modules)

Entwickelt für den Übergang zur nächsten Kühlungsgeneration

Mit der zunehmenden Verbreitung der Flüssigkeitskühlung müssen Leistungsmodule mit Kühlplatten, CDUs und der Leitungsführung zusammenarbeiten. Der Übergang von Luftkühlung zu direkten Chip-Kühlungs- und Immersionsvarianten wird sich fortsetzen, doch wird die Luftkühlung in hybriden Kühlsystemen weiterhin etwa 20 % der Wärmeabfuhr übernehmen. Daher ist die Effizienz der Module nach wie vor von zentraler Bedeutung, denn selbst 10 bis 20 W Verlustleistung pro Umrichter summieren sich zu Kilowatt pro Rack und entlasten die Pumpen und Kältemaschinen. Die geregelten QB- und kompakten LGA-Module von Flex Power Modules, die im optimalen Bereich bei 98% betrieben werden, sind so konstruiert, dass sie sich in dieser neuen Umgebung thermisch wohlfühlen.

Energie ist jetzt die entscheidende Einschränkung in der KI-Infrastruktur. Die Gewinner werden Architekturen sein, die mehr Rechenleistung pro Rackeinheit liefern, und zwar nicht durch rohe Gewalt, sondern durch intelligentere, dichtere und kühlere Leistung. Die dreistufige DC/DC-Wandlung, die durch hocheffiziente IBCs und eine Regelung nahe am Chip ermöglicht wird, macht diesen Weg frei. Dank der heute erhältlichen Modelle BMR316/BMR352/BMR323 und neuer Lösungen, die sich derzeit in der Entwicklung befinden und noch höhere Leistungsstufen sowie größere Übersetzungsverhältnisse wie beispielsweise 8:1 versprechen, bietet Flex Power Modules einen einfachen Weg zu höherer Leistung, ohne dass Platz auf der Platine oder thermische Reserven geopfert werden müssen.