Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz zur Erfüllung der Anforderungen von KI-Anwendungen

Herausforderungen im Bereich Energie, denen KI-Datenzentren gegenüberstehen

Elektrizität steht im Zentrum der modernen Gesellschaft und wirtschaftlichen Abläufe, und mit der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und Anwendungen der künstlichen Intelligenz wird ihre Bedeutung weiterhin zunehmen. Die Stromerzeugung ist derzeit die größte Quelle von Kohlendioxidemissionen (CO2) weltweit, aber sie kann auch die Umstellung auf Netto-Null-Emissionen vorantreiben, indem erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windkraft schnell ausgebaut werden. Sicherzustellen, dass Verbraucher sicher und kostengünstig Zugang zu Strom haben, während die globalen Kohlendioxidemissionen reduziert werden, ist eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) verbrauchten Rechenzentren im Jahr 2022 etwa 2 % des gesamten Stroms, was ungefähr 460 Terawattstunden (TWh) entspricht. Mit dem Aufkommen energieintensiver Anwendungen wie Kryptowährung und künstliche Intelligenz/Maschinelles Lernen (KI/ML) wird erwartet, dass diese Zahl schnell ansteigt. Dieser Anstieg des Energieverbrauchs basiert auf dem Einsatz von Hochleistungs-Grafikprozessoren (GPUs) in diesen Technologien. Die IEA prognostiziert, dass Rechenzentren bis 2026 mindestens 650 TWh verbrauchen werden, wobei ein Verbrauch von über 1.000 TWh nicht ausgeschlossen ist.

Die Wachstumsrate im Bereich der künstlichen Intelligenz ist wahrlich beeindruckend. ChatGPT erreichte innerhalb der ersten fünf Tage 1 Million Nutzer und innerhalb der ersten zwei Monate 100 Millionen Nutzer, was die Wachstumsraten von TikTok und Instagram deutlich übertrifft. Das Training von GPT-4, mit seinen 1,7 Billionen Parametern und der Verwendung von 13 Billionen Token, erfordert 25.000 NVIDIA A100 GPUs, wobei jeder Server etwa 6,5 kW verbraucht. Laut OpenAI dauerte dieses Training 100 Tage, verbrauchte 50 GWh Energie und kostete 100 Millionen US-Dollar.

Frühe Rechenzentren wandelten die Netzspannung zentral in 12V um und führten sie zu den Servern, wo die logischen Pegelumwandlungen (3,3/5V) durchgeführt wurden. Mit steigenden Leistungsanforderungen führte diese Methode zu zu hohen Verlusten. Die Busspannung wurde auf 48V erhöht, wodurch der Strom um das Vierfache und die Verluste um das 16-fache reduziert wurden.

Als die Prozessor-Spannungen unter 3,3 V auf Sub-Volt-Niveaus sanken, wurden mehrere Spannungsschienen bei relativ hoher Leistung benötigt. Dies führte zu einem zweistufigen Umwandlungsprozess, bei dem ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (bekannt als Intermediate Bus Converter (IBC)) 48 V in einen lokalen Bus mit 12 V umwandelt, bevor niedrigere Spannungsumwandlungen durchgeführt werden.

Effiziente Energieumwandlung benötigt für KI-Datenzentren

Die Anforderungen an die Energieumwandlung in KI-Datenzentren sind besonders wichtig aufgrund ihrer Anforderungen an Hochleistungsrechner und umfangreiche Datenverarbeitung. KI-Datenzentren müssen große Datenmengen und komplexe Berechnungsaufgaben bewältigen, was bedeutet, dass sie hocheffiziente und hochdichte Energieumwandlungssysteme benötigen. Effiziente Energiewandler können Energieverluste reduzieren und dadurch die Gesamtleistung sowie die Effizienz des Systems verbessern.

Der Betrieb von Rechenzentren erfordert hochstabile und zuverlässige Stromversorgungen. Leistungswandler müssen unter verschiedenen Lastbedingungen eine stabile Spannung und einen stabilen Strom liefern, um den normalen Betrieb von Servern und anderer Ausrüstung sicherzustellen. Darüber hinaus können effiziente Stromversorgungssysteme die Wärmeentwicklung reduzieren, obwohl eine effektive Wärmeableitung weiterhin notwendig ist. Optimierte thermische Designs tragen dazu bei, die Temperatur des Systems innerhalb eines sicheren Bereichs zu halten, wodurch die Lebensdauer der Ausrüstung verlängert und die Leistung verbessert wird.

Während sich KI-Anwendungen rasant entwickeln, steigen die Anforderungen an Rechenzentren kontinuierlich. Stromumwandlungssysteme müssen über eine gute Skalierbarkeit verfügen, um flexibel auf zukünftige Erweiterungsbedarfe reagieren zu können. Insbesondere angesichts des erheblichen Energieverbrauchs von KI-Rechenzentren ist das Energiemanagement entscheidend, um Betriebskosten zu senken und die Umweltbelastung zu reduzieren. Effiziente Stromwandler können den Energieverbrauch erheblich senken und die Energieausnutzungs-Effizienz verbessern.

Um die hohe Verfügbarkeit von Rechenzentren sicherzustellen, müssen Stromumwandlungssysteme in der Regel mit Redundanz ausgelegt sein, um potenzielle Stromausfälle zu bewältigen. Redundante Designs können Backup-Strom bereitstellen, indem sie schnell umschalten, wenn die Hauptstromquelle ausfällt, und somit einen kontinuierlichen Systembetrieb gewährleisten. Darüber hinaus beginnen immer mehr Rechenzentren, angesichts des wachsenden Umweltbewusstseins, grüne Energiequellen wie Solar- und Windkraft einzubinden. Effiziente Stromumwandlungssysteme können diese erneuerbaren Energien besser integrieren, die Gesamtenergieeffizienz steigern und den CO₂-Fußabdruck reduzieren.

Während des Stromumwandlungsprozesses sind Energieverluste ein unvermeidliches Phänomen. Diese Verluste stellen verschwendete Energie dar, verursachen Kosten und erzeugen Wärme, die Platz benötigt und weitere Ausgaben für das Management erfordert. Beim Betrieb von hyperskaligen KI-Rechenzentren, die möglicherweise 120 kW Rackleistung benötigen, liegt die Effizienz bei der Umwandlung von Netzstrom in GPU-Spannung bei etwa 88 %, was 15 kW Abwärme verursacht, die durch Flüssigkeitskühlung bewältigt werden muss.

Effizienz und Leistungsdichte (die Hand in Hand gehen) sind die Schlüsselkriterien im Design von Serverstromversorgungen. Die Energie aus dem Hauptstromnetz muss mit minimalen Verlusten in nutzbare Leistung umgewandelt werden. Um dies zu erreichen, entwickeln sich die Topologien kontinuierlich weiter, wobei Technologien wie die synchrone Gleichrichtung entwickelt werden und MOSFETs verlustbehaftete Dioden in Gleichrichtern ersetzen.

Die Verbesserung der Topologie ist nur die halbe Miete für den Erfolg; um die Effizienz zu optimieren, müssen alle Komponenten so effizient wie möglich sein, insbesondere die MOSFETs, die für den Umwandlungsprozess entscheidend sind. MOSFETs sind keine verlustfreien Geräte; sie verursachen Verluste während der Leitung und beim Schalten. Da Server-Stromversorgungen bei höheren Frequenzen betrieben werden, um die Größe zu reduzieren, werden Schaltverluste zu einem zentralen Punkt für Verbesserungen.

Effiziente onsemi PowerTrench® MOSFETs

Silizium-MOSFETs steuern den Strom zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen durch die Gate-Spannung. Aufgrund ihrer Effizienz, Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit werden sie häufig in Leistungsverstärkern, Spannungsreglern und Schaltkreisen eingesetzt. Die T10 PowerTrench® MOSFETs von onsemi mit niedrig bis mittlerer Spannung reduzieren Schalt- und Leitungsverluste durch die neueste Shielded-Gate-Trench-Technologie, was zu deutlich niedrigeren Qg und einem R_DS(ON) von unter 1mΩ führt. Die branchenführende Soft-Recovery-Body-Diode verringert Klingeln, Überschwingen und Rauschen sowie Qrr-Verluste und stellt eine ausgewogene Leistung und Rückgewinnung bei schnellen Schaltanwendungen sicher. Im Vergleich zu früheren Geräten können diese neuen MOSFETs die Schaltverluste um bis zu 50 % und die Leitungsverluste um über 30 % reduzieren.

Die neuen 40V und 80V T10 PowerTrench Geräte von onsemi bieten erstklassige R_DS(ON)-Werte. Der NTMFWS1D5N08X (80V, 1,43mΩ, 5mm x 6mm SO8-FL-Gehäuse) und der NTTFSSCH1D3N04XL (40V, 1,3mΩ, 3,3mm x 3,3mm Dual-Cool-Gehäuse mit Source-Down-Technologie) verfügen über einen erstklassigen Gütefaktor (FOM), wodurch sie sich ideal für Stromversorgungseinheiten (PSU) und Zwischenbuskonverter (IBC) in KI-Datenzentrumsanwendungen eignen. Die T10 PowerTrench-MOSFETs erfüllen die strengen Effizienzspezifikationen des Open Rack V3, die Effizienzen von 97,5 % oder höher erfordern.

Nieder-/Mittelspannungs-MOSFETs mit besserer Leistung

Die von onsemi vorgestellten MOSFETs für Niederspannung/Mittelspannung, insbesondere der NTMFWS1D5N08X, sind leistungsstarke, einzelne N-Kanal-MOSFETs mit STD-Gate und nutzen das SO8FL-HEFET-Gehäuse. Sie unterstützen 80V, 1,43mΩ und 253A. Dieser T10 80V MOSFET gehört zu den besten Produkten seiner Klasse im 80V-Markt und stellt eine optimale Lösung für Cloud-Power, 5G-Telekommunikation, andere PSU-Anwendungen, DC/DC- und Industrieanwendungen dar. Er bietet eine bessere Leistung, erhöht die Systemeffizienz und die Leistungsdichte, weist jedoch einige geringere Leistungsmerkmale auf.

Der NTMFWS1D5N08X bietet Verbesserungen in FOM, Rsp und Leistungsdichte, wodurch die Leistung gesteigert und die Kosten gesenkt werden. Sein geringer Rsp, niedriges Qg/Qgd und geringeres Qgd/Qgs können die Gesamtenergieeffizienz erhöhen, indem die Treiberverluste minimiert werden. Der niedrige R_DS(ON) reduziert die Leitungsverluste, während die niedrigeren Qoss und Qrr die Schaltverluste verbessern. Eine weichere Recovery-Diode und ein niedrigeres Qrr reduzieren das Klingeln, die Überschwinger und das Rauschen, was Robustheit und hervorragende Unclamped Inductive Switch (UIS) bietet, um die Avalanche-Festigkeit in schnell schaltenden Anwendungen zu verbessern. Diese Geräte sind Pb-frei, halogen-/BFR-frei und RoHS-konform.

Der NTMFWS1D5N08X eignet sich für DC-DC- und AC-DC-synchronisierte Gleichrichtung (SR) sowie Primärschalter in isolierten DC-DC-Wandlern und Motorantrieben. Zu den häufig verwendeten Endprodukten gehören Telekommunikationsstromversorgung, Cloud-Stromversorgung, Server-Stromversorgung, Rechenzentren, Motorantriebe, Solarstromversorgung und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Ein weiteres MOSFET für Niederspannungs- bzw. Mittelspannungsanwendungen von onsemi ist der NTTFS2D1N04HL, ein N-Kanal PowerTrench® MOSFET mit geschütztem Gate, der 40V, 150A und 2,1mΩ unterstützt. Dieser N-Kanal-Mittelspannungs-MOSFET wird mit der fortschrittlichen PowerTrench®-Technologie hergestellt und integriert die geschützte Gate-Technologie. Dieser Prozess ist darauf optimiert, den Einschaltwiderstand zu minimieren, während gleichzeitig eine exzellente Schaltleistung gewährleistet wird.

Der NTTFS2D1N04HL, der die Shielded-Gate-MOSFET-Technologie nutzt, weist einen maximalen R_DS(on) von 2,1mΩ bei VGS = 10V und ID = 23A sowie 3,3mΩ bei VGS = 4,5V und ID = 18A auf und reduziert Schaltgeräusche und elektromagnetische Störungen (EMI). Er verfügt über ein robustes Gehäusedesign, das MSL1 erfüllt, ist zu 100% UIL-getestet und RoHS-konform. Der NTTFS2D1N04HL ist vielseitig einsetzbar und eignet sich für viele verschiedene Anwendungen, wobei typische Endprodukte unter anderem DC-DC-Netzteile und mittelspannungs-synchrone Abwärtswandler sind.

Fazit

In der heutigen rasant voranschreitenden Ära der künstlichen Intelligenz ist die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz von entscheidender Bedeutung. Hochwirkungsgradige Energieumwandlungstechnologie kann nicht nur die Anforderungen von KI-Anwendungen an Hochleistungsrechnen und umfangreiche Datenverarbeitung erfüllen, sondern auch den Energieverbrauch und die Betriebskosten erheblich reduzieren, wodurch nachhaltigere und umweltfreundlichere Ziele erreicht werden. Durch kontinuierliche Innovation und die Anwendung fortschrittlicher Lösungen im Energiemanagement können wir eine Balance zwischen Leistung und Effizienz schaffen, um die nachhaltige Entwicklung und den maximalen Nutzen der KI-Technologie in verschiedenen Bereichen sicherzustellen. Daher ist die Investition in die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz nicht nur eine Voraussetzung für technischen Fortschritt, sondern auch ein wesentlicher Bestandteil der Förderung der KI-Revolution.

Die PowerTrench® MOSFET-Produktserie für Niederspannung bis Mittelspannung, die von onsemi auf den Markt gebracht wurde, bietet eine hervorragende Leistung und kann in Rechenzentren für KI-Anwendungen eingesetzt werden. Sie gewährleistet eine herausragende Energieumwandlungseffizienz und ist damit eine der idealen Wahlmöglichkeiten für entsprechende Anwendungen.