Autor:
Dr.-Ing. Stefan Zeltner
Gruppenleiter Gruppe Bordnetz-Wandler
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Durch den zunehmenden Einsatz von KI ist der Strombedarf von Rechenzentren, insbesondere der von Hochleistungsrechenzentren, wieder in den Fokus öffentlicher Diskussionen gerückt. In diesem Techblog wird gezeigt, wie die innerhalb des Projekts GreenICT gewonnen Ergebnisse, zur effizienten Spannungs-versorgung von CPUs und GPUs, dazu beitragen können, den CO2-Fußabdruck von KI möglichst niedrig zu halten.
Aufgrund der sehr niedrigen Versorgungsspannung moderner CPUs und GPUs im Bereich von ca. 1 V und deren hoher Leistungsaufnahme von mehreren 100 W, ist es erforderlich, mittels sogenannter Point-of-Load DC/DC Wandler (PoL) die niedrige Betriebsspannung unmittelbar „vor Ort“, also direkt an der CPU oder GPU, bereitzustellen. Ansonsten würden zu viele Verluste durch die Zuleitungen entstehen. In konventionellen Hochleistungsrechenzentren sind CPUs und GPUs innerhalb von Servern installiert, welche wiederum in Racks verbaut sind. Hierfür hat sich als günstig erwiesen die Stromversorgung innerhalb der Racks mit einer Spannung im Bereich von ca. 48 V zu ermöglichen. Damit muss jedoch innerhalb des Racks die Spannung von zunächst 230 VAC auf 48 VDC heruntergesetzt werden und innerhalb der Server dann von 48 V auf ca. 1 V. Abbildung 1 zeigt in einem Blockdiagramm dabei typische zu erwartende Wirkungsgrade der einzelnen Stufen.
Auf diese Weise ist mit einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 86% zu rechnen. Einen genaueren Blick auf den Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Laststroms zeigt Abbildung 2. Sie verdeutlicht, dass insbesondere der Schritt von 48 V auf 1 V und dabei genauer der Schritt von 12 V auf 1V, aufgrund der damit verbundenen hohen Ströme, verlustbehaftet und lastabhängig ist.
Im Rahmen von GreenICT wurde untersucht, wie durch eine besonders geschickte 1-stufige Umsetzung von 48 V direkt auf 1 V der Wirkungsgrad im Vergleich zu den gängigen 2-stufigen Lösungsansätzen verbessert werden kann. In Abbildung 3 ist der untersuchte neuartige 48 V auf 1 V PoL schematisch dargestellt, mit dem sich ein bis zu 2% höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu typischen 2-stufigen Lösungsansätzen erzielen lässt.
Im Projekt wurde auch untersucht wieviel CO2-Äquivalent auf diese Weise eingespart werden könnte und wie wieviel CO2-Aquivalent hierfür zusätzlich investiert werden müsste. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis:
Tabelle 1: Mögliche CO2äq Einsparungen in deutschen Rechenzentren ab 2030 für Erzeugungs-Szenarien mit 0,4 kg/kWh bis 0,145 kg/kWh über einen Betriebszeitraum von 10 Jahren bei 1,3%…2% erhöhter 48 V / 1 V PoL Effizienz
| CO2äq Szenarien zur Herstellung von 1 kWh elektrischer Energie in 2030 | 0,4 … 0,145 kg/kWh |
| CO2äq Einsparung bei 1,3% … 2% höherer 48 V / 1 V PoL Effizienz (260 GWh/a …320 GWh/a) | (104…128) … (38…46) kT |
| CO2äq Einsparungen innerhalb von 10 Jahren | (1040…1280) … (380 …460) kT |
| CO2äq zusätzlich, um für 3,7 Mio. 800 W Serverknoten 1.3% … 2% höhere Effizienz zu erreichen | 19 kT |
| Netto CO2äq Einsparungen über 10 Jahre | (1021…1261) … (361…441) kT |
Auch in zukünftigen KI-Rechenzentren bleibt die PoL-Problematik bestehen. Aufgrund der eingesetzten direkten Flüssigkeitskühlung kann die Leistung pro Serverrack drastisch erhöht werden, womit eine noch höhere Spannung (z.B. 800 VDC) zur Versorgung der einzelnen KI-Servereinheiten notwendig ist. D.h. die Problematik der direkten Wandlung von 48 V auf 1 V verlagert sich lediglich von der Rack/Server-Ebene auf die reine Server-Ebene.
Für weitergehende Informationen siehe:
[1] S. Zeltner et al.: IISB² Topology for 48 V / 1 V Point of Load Applications, PCIM 2025, Nuremberg, Germany [2] S. Zeltner et al.: Energy and CO2 Savings for High-Density Rack Servers Using 1-Stage and 2-Stage 48 V to 1 V PoL Solutions, MST-Kongress 2025, VDE, Duisburg