{"id":14026,"date":"2025-11-11T12:53:13","date_gmt":"2025-11-11T11:53:13","guid":{"rendered":"https:\/\/greenict.de\/?p=14026"},"modified":"2025-11-11T12:53:14","modified_gmt":"2025-11-11T11:53:14","slug":"48-v-1-v-point-of-load-dc-dc-converter-zur-effizienten-versorgung-von-cpus-und-gpus-in-rechenzentren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greenict.de\/en\/48-v-1-v-point-of-load-dc-dc-converter-zur-effizienten-versorgung-von-cpus-und-gpus-in-rechenzentren\/","title":{"rendered":"48 V \/ 1 V Point-of-Load DC\/DC Converter for Efficient Power Supply of CPUs and GPUs in Data Centres"},"content":{"rendered":"\n
\"\"<\/figure>
\n

Autor:
Dr.-Ing. Stefan Zeltner
Gruppenleiter Gruppe Bordnetz-Wandler
Fraunhofer-Institut f\u00fcr Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB<\/a><\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Durch den zunehmenden Einsatz von KI ist der Strombedarf von Rechenzentren, insbesondere der von Hochleistungsrechenzentren, wieder in den Fokus \u00f6ffentlicher Diskussionen ger\u00fcckt. In diesem Techblog wird gezeigt, wie die innerhalb des Projekts GreenICT gewonnen Ergebnisse, zur effizienten Spannungs-versorgung von CPUs und GPUs, dazu beitragen k\u00f6nnen, den CO2<\/sub>-Fu\u00dfabdruck von KI m\u00f6glichst niedrig zu halten.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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 \u201evor Ort\u201c, also direkt an der CPU oder GPU, bereitzustellen. Ansonsten w\u00fcrden zu viele Verluste durch die Zuleitungen entstehen. In konventionellen Hochleistungsrechenzentren sind CPUs und GPUs innerhalb von Servern installiert, welche wiederum in Racks verbaut sind. Hierf\u00fcr hat sich als g\u00fcnstig erwiesen die Stromversorgung innerhalb der Racks mit einer Spannung im Bereich von ca. 48 V zu erm\u00f6glichen. Damit muss jedoch innerhalb des Racks die Spannung von zun\u00e4chst 230 VAC<\/sub> auf 48 VDC<\/sub> heruntergesetzt werden und innerhalb der Server dann von 48 V auf ca. 1\u00a0V. Abbildung 1 zeigt in einem Blockdiagramm dabei typische zu erwartende Wirkungsgrade der einzelnen Stufen.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Typische Wirkungsgrade zur Erzeugung von ca. 1 V Versorgungsspannung f\u00fcr CPUs\/CPUs<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Auf diese Weise ist mit einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 86% zu rechnen. Einen genaueren Blick auf den Wirkungsgrad in Abh\u00e4ngigkeit 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 Str\u00f6me, verlustbehaftet und lastabh\u00e4ngig ist.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Typische Wirkungsgrade der verschiedenen Wandlungsstufen in Abh\u00e4ngigkeit der Serverlast<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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 g\u00e4ngigen 2-stufigen L\u00f6sungsans\u00e4tzen 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% h\u00f6herer Wirkungsgrad im Vergleich zu typischen 2-stufigen L\u00f6sungsans\u00e4tzen erzielen l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 3: Neuartige einstufige L\u00f6sung f\u00fcr einen direkten 48 V \/ 1V PoL<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Im Projekt wurde auch untersucht wieviel CO2<\/sub>-\u00c4quivalent auf diese Weise eingespart werden k\u00f6nnte und wie wieviel CO2<\/sub>-Aquivalent hierf\u00fcr zus\u00e4tzlich investiert werden m\u00fcsste. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis:<\/p>\n\n\n\n

Tabelle 1: M\u00f6gliche CO2\u00e4q<\/sub> Einsparungen in deutschen Rechenzentren ab 2030 f\u00fcr Erzeugungs-Szenarien mit 0,4 kg\/kWh bis 0,145 kg\/kWh \u00fcber einen Betriebszeitraum von 10 Jahren bei 1,3%…2% erh\u00f6hter 48 V \/ 1 V PoL Effizienz<\/p>\n\n\n\n

CO2\u00e4q<\/sub> Szenarien zur Herstellung von 1 kWh elektrischer Energie in 2030<\/td>0,4 \u2026 0,145 kg\/kWh<\/td><\/tr>
CO2\u00e4q<\/sub> Einsparung bei 1,3% \u2026 2% h\u00f6herer 48 V \/ 1 V PoL Effizienz (260 GWh\/a \u2026320 GWh\/a)<\/td>(104\u2026128) \u2026 (38\u202646) kT<\/td><\/tr>
CO2\u00e4q<\/sub> Einsparungen innerhalb von 10 Jahren<\/td>(1040\u20261280) \u2026 (380 \u2026460) kT<\/td><\/tr>
CO2\u00e4q<\/sub> zus\u00e4tzlich, um f\u00fcr 3,7 Mio. 800 W Serverknoten 1.3% \u2026 2% h\u00f6here Effizienz zu erreichen<\/td>19 kT<\/td><\/tr>
Netto CO2\u00e4q<\/sub> Einsparungen \u00fcber 10 Jahre<\/strong><\/td>(1021\u20261261) \u2026 (361\u2026441) kT<\/strong><\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

<\/p>\n\n\n\n

Auch in zuk\u00fcnftigen KI-Rechenzentren bleibt die PoL-Problematik bestehen. Aufgrund der eingesetzten direkten Fl\u00fcssigkeitsk\u00fchlung kann die Leistung pro Serverrack drastisch erh\u00f6ht werden, womit eine noch h\u00f6here Spannung (z.B. 800 VDC<\/sub>) 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.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr weitergehende Informationen siehe:<\/p>\n\n\n\n[1]        S. Zeltner et al.: IISB\u00b2 Topology for 48 V \/ 1 V Point of Load Applications, PCIM 2025, Nuremberg, Germany<\/p>\n\n\n\n[2]        S. Zeltner et al.: Energy and CO2<\/sub> Savings for High-Density Rack Servers Using 1-Stage and 2-Stage 48 V to 1 V PoL Solutions, MST-Kongress 2025, VDE, Duisburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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