Rechenzentren im Wandel: Wie 800 VDC und Supraleiter die Energieversorgung moderner KI-Infrastrukturen revolutionieren

Der Durchbruch der KI basiert auf der Verbesserung der Algorithmen und neuronalen Netze, die mehr parallele Prozesse und damit ein skalierbareres Training mit größeren Datenmengen ermöglichten. Mehr Daten bedeuten bessere Modelle. Die zunehmende Verbreitung, die Parallelisierung und der Bedarf an großen Datenmengen führen zu einem prognostizierten Anstieg des Strombedarfs um 165 % bis 2030 [Quelle].

Diese KI-Rechenzentren funktionieren grundlegend anders als gewöhnliche Cloud-Dienste: Der Begriff „KI-Fabrik” ist ein neuer Begriff, der derzeit häufig verwendet wird. Anstatt dass CPUs Katzenbilder speichern oder laden, trainieren, inferieren oder generieren GPUs entsprechend den Eingaben. Die grundlegende Arbeitslast kann in Token, also grundlegende Ein- und Ausgänge eines KI-Modells, unterteilt werden. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Effizienz der Tokens ist entscheidend für die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Rechenzentrums, und wie bei vielen Prozessen gibt es auch hier Skaleneffekte. Aus diesem Grund treiben die Chiphersteller die Rechenleistung der GPU-Racks in den MW-Bereich. Wenn man bedenkt, dass ein „normales” Rack etwa 20 kW verbraucht, erfordert diese Leistungssteigerung eine vollständige Überarbeitung und Neukonzeption der Rechenzentrumsarchitektur für die Stromversorgung.

Warum 800 VDC die neue Basis für KI-Fabriken ist

Die Versorgung mit 20 kW mit standardmäßiger dreiphasiger Niederspannungs-Wechselstrom ist unkompliziert und weit verbreitet. Die Lieferung von 1 MW bei Niederspannung ist jedoch einfach nicht machbar. Die Kabelquerschnitte werden zu groß, die Systeme zu schwer und die Infrastruktur zu kostspielig. Darüber hinaus läuft IT-Hardware letztendlich mit Gleichstrom, sodass eine Gleichrichtung erforderlich ist, was Größe, Verluste und Kosten weiter erhöht. Das Konzept von Gleichstrom-basierten Rechenzentren stammt zwar aus den frühen 2000er Jahren und es wurden bereits mehrere gebaut. Die hohen Rack-Leistungen von heute veranlassen jedoch Rechenzentrumsdesigner und Hyperscaler dazu, es zu überdenken.

Derzeit wird eine 800-V-Gleichstrom-Rack-Architektur untersucht, die entweder mit 800 V oder ±400 V betrieben wird. Die höhere Spannung reduziert den erforderlichen Strom, und Gleichstromsysteme weisen aufgrund des fehlenden Skineffekts von Natur aus einen geringeren effektiven Widerstand auf als Wechselstromsysteme. Dadurch wird weniger Kupfer für die Stromverteilung benötigt. Große Hardwarehersteller entwickeln Stromversorgungseinheiten, die die 800-V-Versorgung auf Hardware-Spannungen wie 48 V heruntertransformieren. Dieser Ansatz reduziert den Kupferverbrauch, erhöht die Effizienz und vereinfacht das Gesamtsystem.

Das 800-V-Rack löst das Problem, wie die Stromversorgung zum Rack gelangt, aber die Auslegung des Verteilungssystems bleibt unklar. In der Regel wird die Betriebsspannung erhöht, um mehr Leistung zu liefern. Die Einführung von Mittelspannung in ein Rechenzentrum bringt jedoch zusätzliche Platz- und regulatorische Herausforderungen mit sich. Hier kommen Supraleiter ins Spiel.

Effizienzsteigerung mit Hochtemperatur-Supraleitern

Supraleiter besitzen keinen elektrischen Gleichstromwiderstand. Der Strom, der durch sie fließen kann, hängt von der Betriebstemperatur und dem Magnetfeld ab, in dem sie sich befinden. Aufgrund des fehlenden elektrischen Widerstands und der Fähigkeit, extrem hohe Stromdichten zu transportieren, machen es Supraleiter möglich, Megawatt an Leistung bei niedriger Spannung zu übertragen. 50 MW bei 800 V würden einen Betriebsstrom von etwa 60 kA erfordern, was für Supraleiter ein realistischer Strom ist.

Bislang wurden Niedertemperatur-Supraleiter (LTS) häufig in MRT-Systemen, Teilchenbeschleunigern und Fusionsreaktoren als Hochfeldmagnete eingesetzt. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) ersetzen nun LTS. HTS können mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, was sie wesentlich wirtschaftlicher macht, da flüssiger Stickstoff viel billiger ist als Helium.

Mit zunehmender industrieller Verbreitung beginnen sie auch, herkömmliche Kupfer- und Aluminiumleiter zu ersetzen. Hochspannungs-HTS-Kabel wurden kürzlich im Rahmen des SuperLink-Projekts in München für den Einsatz in einem Verteilungsnetz getestet, und im vergangenen Jahr wurden im Rahmen des Demo200-Projekts in einer Aluminiumfabrik in einer industriellen Umgebung Ströme von bis zu 200 kA demonstriert.

Kurz gesagt: Supraleiter erweitern die Vorteile der 800-VDC-Rack-Architektur bis hin zur Stromverteilung im Rechenzentrum. Kleinere, effiziente Leiter vereinfachen die elektrische Infrastruktur. Die Mittelspannungsverteilung wird durch Edelstahlrohre (Kryostate, 200 mm Durchmesser) ersetzt, die thermisch isoliert sind und eine Flüssigstickstoffzirkulation enthalten, die die Leiter auf einer Betriebstemperatur von etwa -200 °C hält. Durch die Verringerung des Gewichts und der Größe der Stromverteilung werden auch die Betriebskosten gesenkt: 90 % der elektrischen Verluste werden eingespart.

Die wichtigste Alternative zu Supraleitern sind wassergekühlte Kabel oder Stromschienen. Wasser kann Wärme weitaus effektiver ableiten als Luft, sodass diese Systeme mit viel höheren Stromdichten betrieben werden können. Es ist sinnvoll, diese für kurze Strecken innerhalb eines POD zu verwenden, um die Entfernung zwischen Sidecar und Rack zu überbrücken. Ihre Verwendung zur Stromverteilung im Rechenzentrum ist jedoch kostspielig: Die elektrischen Verluste sind viel höher und es ist eine aktive Kühlung erforderlich, um die zusätzlich erzeugte Wärme abzuführen.

Bei einer Stromdichte von etwa 10 A/mm² würde ein Rechenzentrum mit einer Leistung von 10 MW fast 5 kW Stromverluste pro Meter wassergekühltem Kabel verursachen.

Mit einem HTS-Leiter lassen sich die elektrischen Verluste vollständig eliminieren. Stattdessen muss nur die in das System eindringende Wärme gekühlt werden, etwa 1–2 W/m, sowie die Kühlung für den Anfangsstromanschluss und die Sidecar-Anschlüsse, insgesamt etwa 100 W/kA für beide.

Wie sieht Supraleitung im Rechenzentrum aus?

Wie sieht das supraleitende System aus? Ein supraleitendes Stromverteilungssystem basiert auf kompakten, extrem hochstromfähigen Leitern, die auf kryogene Temperaturen gekühlt werden. Abbildung 2 zeigt 8 Paare von HTS-Leitern in einem Kryostaten. Jeder Leiter kann bis zu 11 kA führen, genug, um einen POD mit 8,8 MW oder 14 600 kW-Racks zu versorgen.

Das innere und äußere Edelstahlrohr bilden den Kryostaten, die Wärmeisolierung. Zwischen den beiden Rohren wird ein Vakuum erzeugt, um die Wärmeübertragung zu begrenzen. Im Inneren des inneren Rohrs zirkuliert flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von 68 bis 77 K (-205 bis -196 °C). Er absorbiert die von außen in das System eintretende Wärme.

An jedem Ende des Systems sind Abschlussgeräte mit dem Gleichrichter auf der Eingangsseite und dem POD-Sidecar auf der Ausgangsseite verbunden. Diese Abschlüsse kühlen die Leiter und stellen die elektrische und mechanische Verbindung zum Rest der Strominfrastruktur her.

Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, wobei mehrere Komponenten wie die Sidecar-Anschlüsse, DC-DC-Wandler und Schutzsysteme noch weiter optimiert werden müssen. Vision Electric Super Conductors arbeitet aktiv an der Entwicklung der erforderlichen HTS-Sammelschienen, Stromleitungen und Sidecar-Anschlüsse. Dank Industrieverbänden wie Current/OS und der Open DC Alliance (ODCA) werden Gleichstromanwendungen immer besser entwickelt, besser verstanden und zunehmend eingesetzt. Das Open Compute Project treibt ebenfalls die Entwicklung von 800-VDC-Systemkomponenten und -Standards voran, die die Gleichstromverteilung beschleunigen werden.

Enorme Energieeinsparungen

Das supraleitende System ist zwar komplexer als sein kupferbasiertes Pendant, dies wird jedoch durch niedrigere Betriebskosten, weniger Spannungsumwandlungen und deutlich platzsparendere Leiter ausgeglichen. Für die Rechenzentrumsbranche sind die potenziellen Energieeinsparungen beträchtlich: Selbst eine Reduzierung der installierten Leistung um 5 % würde weltweit zu Einsparungen im Gigawattbereich führen.

Vor einer flächendeckenden Einführung müssen die Betreiber von Rechenzentren jedoch vollständig von der Zuverlässigkeit kryogener Systeme überzeugt sein. In einer Branche, die von Redundanz, Verfügbarkeit und strengen Ausfallzielen geprägt ist, ist Zuverlässigkeit wichtiger als Effizienz.

Zukünftige Trends deuten darauf hin, dass HTS der Leiter der Wahl sein wird. HTS-Bänder werden immer kostengünstiger, während sich ihre Leistung und Strombelastbarkeit verbessern. Im Gegensatz dazu sind die Kupferpreise stetig gestiegen und werden voraussichtlich weiter steigen, da die weltweite Nachfrage nach elektrischer Infrastruktur wächst. Angesichts der wirtschaftlichen Vorteile und des Trends zu immer höheren Leistungsdichten stellt sich nicht mehr die Frage, ob Supraleiter eingesetzt werden, sondern wann.