KI-Rechenzentren: Nvidia setzt auf 800 Volt für Racks mit bis zu 1 MW

Neue Architekturen für Racks sollen mehr Leistung ermöglichen und gleichzeitig die Effizienz steigern. Nvidia setzt hier auf Systeme mit 800 Volt Hochspannung und Gleichstrom.

Die Anforderungen an die Stromversorgung in modernen Rechenzentren, insbesondere für KI-Workloads, steigen exponentiell an. Während traditionelle Systeme mit 54 Volt Gleichstrom und Rack-Leistungsdichten unter 20 kW auskommen, erreichen moderne KI-Systeme schnell mehrere hundert kW pro Rack und bewegen sich auf 1 Megawatt (MW) und mehr zu. Um diesen gewaltigen Energiehunger zu bewältigen und die Infrastruktur zukunftssicher zu gestalten, entwickeln große Technologieunternehmen neue Architekturen für die Stromverteilung.

Nvidias Vorstoß mit 800 V HVDC

Nvidia setzt auf eine Umstellung auf 800 Volt Hochspannung mit Gleichstrom (HVDC), um Rack-Leistungen von einem MW und darüber hinaus zu unterstützen. Dieses Vorhaben soll ab 2027 mit den Nvidia Kyber Rack-Scale Systemen in Produktion gehen.

Partner des Projekts sind Infineon, STMicroelectronics und Texas Instruments für die Halbleitertechnik; Delta und Flex Power für die Komponenten der Stromversorgung sowie Eaton, Schneider Electric und Vertiv für die Stromversorgungssysteme in den Rechenzentren.

Vorteile der 800-V-Architektur

Die Umstellung auf 800V HVDC verspricht mehrere Verbesserungen im Vergleich zu bestehenden Systemen, die oft mit 54 Volt Gleichstrom betrieben werden. Ein zentraler Vorteil ist die verbesserte Effizienz: Durch die Umwandlung der 13,8 kV Wechselstrom-Netzspannung direkt in 800 Volt HVDC am Rechenzentrum werden die meisten Zwischenschritte der Spannungsumwandlung eliminiert, was Energieverluste deutlich verringert. Nvidia erwartet eine Verbesserung der Ende-zu-Ende-Effizienz um bis zu fünf Prozent im Vergleich zu aktuellen 54-V-Systemen.

Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung des Kupferbedarfs. Weil höhere Spannungen bei gleicher Leistung zu geringeren Strömen führen, können dünnere Leiter verwendet werden. Die Umstellung auf 800 Volt Gleichstrom ermöglicht es, 85 Prozent mehr Strom durch Leiter gleicher Größe zu übertragen. Dies reduziert die Stromverluste und den Kupferbedarf erheblich, potenziell um bis zu 45 Prozent.

Zudem wird durch die direkte 800-Volt-Einspeisung in die Racks und die Verlagerung der Wandlung von Wechsel- zu Gleichstrom aus dem IT-Rack heraus wertvoller Platz für mehr Rechenressourcen gewonnen. Das ermöglicht höhere Rack-Dichten und verbessert die Effizienz der Kühlung. Die Architektur ist zudem skalierbar und kann Racks von 100 kW bis über 1 MW mit derselben Infrastruktur unterstützen. Die Zuverlässigkeit soll durch eine reduzierte Anzahl von Netzteilen und Lüftern in der Stromversorgung verbessert werden. Das sorgt potentiell für niedrigere Kosten für Wartung und Kühlung.

Herausforderungen bei der Implementierung

Obwohl die Vorteile überzeugend sind, birgt die Einführung von HVDC-Systemen auf Rechenzentrumsebene auch Herausforderungen. Die breite Akzeptanz höherer Gleichstrom-Spannungsarchitekturen wurde in der Vergangenheit durch technische Hürden und Schwierigkeiten bei der Implementierung eingeschränkt. Die Einführung von 800 V HVDC auf Anlagenebene bringt neue Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Standardisierung und Schulung des Personals mit sich. Auch die Fehlererkennung und Wartungsfähigkeit in HVDC-Systemen stellen wichtige Bereiche dar, in denen noch Verbesserungen nötig sind.

Ähnliche Initiativen anderer Hyperscaler

Auch andere große Hyperscaler wie Meta, Microsoft und Google arbeiten ebenfalls aktiv an Lösungen für Racks mit sehr hoher Leistungsdichte, die auf die Entkopplung der Stromversorgung vom eigentlichen Rechen-Rack setzen.

Microsoft und Meta haben gemeinsam das „Mount Diablo“ Projekt ins Leben gerufen, dem sich Google inzwischen angeschlossen hat. Mount Diablo ist ein separates Strom-Rack („Side Pod“), das die Stromversorgungskomponenten und Batteriepuffer von den IT-Racks trennt. Ziel ist es, dadurch Rack-Dichten von bis zu 1 MW zu erreichen. Das System ist darauf ausgelegt, eingehenden Wechselstrom in 400 Volt Gleichstrom umzuwandeln. Diese Entkopplung erlaubt es, den gesamten Platz im Server-Rack für KI-Beschleuniger und Netzwerk-Switches zu nutzen. Das sorgt für mehr Leistung und Effizienz.

Die Projektpartner veröffentlichen die Spezifikationen über das Open Compute Project (OCP), um Standards für elektrische und mechanische Schnittstellen zu schaffen.

Meta arbeitet zudem an der Weiterentwicklung seiner High-Powered Rack (HPR) Spezifikationen. Während die aktuelle Version HPRv2 bis zu 190 kW pro Rack unterstützt, soll HPRv3 bis zu 300 kW ermöglichen und ebenfalls einen entkoppelten Strom-Sidepod nutzen. Diese Version integriert eine neue, flüssigkeitsgekühlte Stromschiene (Busbar). Meta gibt an, dass das aktuelle HPR-Stromschienen-Design bis zu 155 kW unterstützt, die neue flüssigkeitsgekühlte Version jedoch bis zu 700 kW oder sogar mehr erreichen könnte. Die vierte Version des HPR-Racks (HPRv4) soll 400 Volt Gleichstrom nutzen und Rack-Dichten von bis zu 800 kW anstreben, mit Plänen zur Erweiterung auf 1 MW in der Zukunft.

Google trägt ebenfalls zur Standardisierung bei, indem es die Spezifikationen der fünften Generation seiner Einheit zur Kühlmittelverteilung (Cooling Distribution Unit – CDU), bekannt als Project Deschutes, dem OCP zur Verfügung stellen will. Google nutzt bereits seit 2018 Flüssigkeitskühlung in vielen seiner Rechenzentren.

Die CDU-Architektur von Project Deschutes verwendet redundante Pumpen und Wärmetauscher, um die Flüssigkeitskreisläufe des Racks von denen der Anlage zu isolieren. Langfristig untersucht Google auch die direkte Verteilung höherer Gleichstrom-Spannungen im Rechenzentrum bis zum Rack für noch höhere Leistungsdichte und Effizienz.

Bewertung

Die steigenden Leistungsanforderungen der KI-Technologie werden die Notwendigkeit neuer Stromverteilungssysteme in Rechenzentren vorantreiben. Sowohl Nvidia mit seinem Fokus auf 800 V HVDC als auch die Hyperscaler wie Meta, Microsoft und Google mit ihren disaggregierten Ansätzen und Projekten wie Mount Diablo und HPRv4 arbeiten daran, die Infrastruktur für die Ära der 1 MW Racks und darüber hinaus vorzubereiten. Diese Entwicklungen zielen auf mehr Effizienz, Skalierbarkeit und eine bessere Nutzung des wertvollen Raums im Rechenzentrum ab, während gleichzeitig Herausforderungen wie Sicherheit und Standardisierung adressiert werden müssen.