Stromversorgung von Rechenzentren Wie zukünftig 1 MW pro Serverrack Realität werden sollen

Während klassische Serverracks bisher mit 40 bis 100 Kilowatt auskamen, wächst der Leistungsbedarf durch Künstliche Intelligenz in bislang unvorstellbare Größenordnungen. Die Vision lautet: ein Megawatt pro Rack. Doch damit dieser Wert nicht nur eine Marketingzahl bleibt, müssen grundlegende Probleme bei der Stromversorgung gelöst werden.

Traditionell erfolgt die Energieversorgung im Rechenzentrum über Wechselstrom, der in die Racks geführt und dort von Netzteilen für jedes einzelne Serverboard heruntergebrochen wird. Diese Architektur bedeutet jedoch, dass die Energie mehrfach gewandelt wird: von Hochspannung AC auf Niederspannung AC, anschließend auf 48 Volt Gleichstrom und schließlich direkt auf die Versorgungsspannung der Chips. Jede Stufe erzeugt Verluste. Selbst effiziente Netzteile erreichen selten mehr als 90 Prozent, Standardgeräte liegen oft bei 80 bis 85 Prozent. Das klingt auf den ersten Blick hoch, doch in einem Rack mit 100 Kilowatt Last bedeuten zehn Prozent Verlust bereits zehn Kilowatt, die ausschließlich in Wärme umgewandelt werden. Bei einem Zielwert von einem Megawatt pro Rack würde derselbe Wirkungsgrad über 100 Kilowatt Abwärme allein aus den Netzteilen bedeuten. So viel wie der gesamte Energiebedarf eines kleinen Unternehmens.

Ein neuer Ansatz

Infineon arbeitet gemeinsam mit Partnern wie Nvidia an einer Stromarchitektur, die die Wandler-Stufen radikal reduziert. Statt Wechselstrom bis ins Rack zu führen, soll Gleichstrom mit bis zu 800 Volt direkt an die Schränke geliefert werden. Erst dort erfolgt eine gezielte Umwandlung auf die benötigten Betriebsspannungen. Diese Zentralisierung der Energieverteilung senkt nicht nur den Verkabelungsaufwand und den Platzbedarf, sondern vor allem die Verluste. Weniger Umwandlungsstufen bedeuten höhere Effizienz.

DER KONGRESS FÜR ELEKTRONIKENTWICKLER

Entwickeln mit Weitblick – Die 360-Grad-Sicht auf die Elektronik

Von der ersten Idee bis zum marktreifen Produkt: Power of Electronics liefert Wissen, Werkzeuge und Kontakte für erfolgreiche Elektronikentwicklung. Egal, ob Sie am Anfang Ihrer Karriere stehen oder erfahrener Spezialist sind – hier finden Sie tiefgehende Inhalte, aktuelle Technologien und innovative Lösungen. Es erwartet Sie ein auf verschiedene Themengebiete der Elektronik fokussiertes Vortragsprogramm, eine übergreifende Fachausstellung mit den jeweiligen Spezialunternehmen und Komponentenanbietern sowie zahlreiche Möglichkeiten zum interdisziplinären Austausch und intensiven Networking.

Jetzt anmelden!

Infineon bringt dafür Netzteile und Backup-Module mit deutlich höherer Leistungsdichte auf den Markt. Während bisher pro Server oder pro Blade kleine Netzteile mit wenigen Kilowatt üblich waren, rücken nun zentrale Stromversorgungseinheiten mit 12 Kilowatt und mehr ins Zentrum. Kombiniert mit neuester Halbleitertechnologie auf Basis von Siliziumkarbid und Galliumnitrid steigt der Wirkungsgrad spürbar. Statt 80 Prozent werden in Zukunft Werte jenseits der 95 Prozent möglich sein. Die Differenz klingt klein, macht aber im Maßstab ganzer Rechenzentren den Unterschied zwischen einem beherrschbaren Betrieb und einem Energiefresser, der sich wirtschaftlich nicht mehr tragen lässt.

Halbleiter im Wandel

Der Durchbruch für die 800‑Volt‑Gleichstromversorgung im Rack basiert auf entscheidenden Fortschritten bei Leistungshalbleitern. Klassische Siliziumtransistoren stoßen bei hohen Spannungen und Strömen rasch an ihre Grenzen: Der On-Widerstand steigt, die Schaltverluste nehmen zu, und thermische Belastungen verschlechtern die Performance weiter. Wide‑Bandgap‑Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ändern das Bild grundlegend. Ihr größerer Bandabstand erlaubt nicht nur höhere Sperrspannungen, sondern auch einen deutlich niedrigeren spezifischen Durchlasswiderstand (R_DS(on)) und wesentlich geringere Schaltverluste. SiC‑MOSFETs können zuverlässig im Bereich um 800 V arbeiten, ohne dass massive Wärmeverluste entstehen. GaN‑Bauelemente gehen noch einen Schritt weiter, indem sie extrem hohe Schaltfrequenzen ermöglichen. Das reduziert die Größe von passiven Bauteilen wie Spulen und Kondensatoren erheblich und macht die Powermodule insgesamt kompakter und effizienter.

Diese technologische Basis ermöglicht, dass moderne Netzteile und DC/DC‑Wandler Wirkungsgrade von über 95 % erreichen können, während frühere Siliziumlösungen meist bei 80–90 % verharrten. Die geringeren Verluste und die bessere thermische Stabilität erleichtern Kühlung und Betriebsführung enorm. Ohne Wide‑Bandgap-Materialien wären effiziente 800‑V‑DC-Architekturen im Rack nahezu unmöglich umsetzbar.

Infineon geht mit dieser Halbleiterkompetenz auch in der nächsten Generation von Battery Backup Units (BBUs) voran. Ihre Roadmap reicht von modularen 4 kW‑Lösungen bis hin zum weltweit ersten 12 kW‑BBU, der eine bis zu 400 % höhere Leistungsdichte als der Industriestandard erreicht . Diese Backup-Module bieten nicht nur besonders effiziente und skalierbare Stromversorgung für AI-Serverracks, sondern schützen auch empfindliche Hardware zuverlässig vor Spannungsspitzen und Stromanomalien.

Auch die Kühlung ist entscheidend

Infineon schafft mit SiC- und GaN-basierten Lösungen die Grundlage dafür, dass Strom bis 800 Volt direkt ins Rack geführt werden kann und dort mit minimalen Verlusten zur Verfügung steht. Doch auch wenn die Verluste durch Wide-Bandgap-Halbleiter drastisch sinken, bleibt Kühlung ein entscheidender Faktor. Denn jedes Prozent Abwärme summiert sich bei Megawatt-Leistungen auf enorme Energiemengen. Hier kommen Anbieter wie Rittal ins Spiel, die mit Direct-Liquid-Cooling-Systemen sicherstellen, dass die thermische Last zuverlässig abgeführt wird – erst das Zusammenspiel aus effizienter Stromversorgung und moderner Kühltechnik macht das 1-MW-Serverrack wirklich realistisch.

Ein Megawatt pro Serverrack wird also nicht nur zur Frage der Kühlung, sondern vor allem zur Frage der elektrischen Effizienz. Jede Kilowattstunde, die nicht in Wärme verloren geht, kann direkt für Rechenleistung genutzt werden. Wenn die Stromversorgung neu gedacht wird, mit Hochspannungsgleichstrom bis ins Rack und hochdichten Power-Modulen direkt an den Chips, dann rückt das Megawatt-Rack von einer Vision zur Realität. (mr)

(ID:50518519)