Stromversorgungsmodule für KI-Rechenzentren Generative KI-Plattformen mit niedrigen Betriebskosten

Derzeit entfallen auf Rechenzentren mehr als zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs, und dieser Anteil steigt stetig. Neue Stromversorgungslösungen und Architekturen sind daher von entscheidender Bedeutung, um messbar Energie einsparen und geringere Betriebskosten für Rechenzentren erreichen zu können.

Künstliche Intelligenz ist der Grund dafür, dass die weltweite Datenerzeugung exponentiell zunimmt. Dazu trägt insbesondere der jüngste Boom bei generativen KI-Abfragen bei. Allerdings steigt in diesem Zusammenhang auch der Energiebedarf der Chips, die diesen enormen Datenzuwachs unterstützen, exponentiell an – einzelne Chips erreichen eine Thermal Design Power (TDP) von über 1.000 W. KI-Server benötigen also durchschnittlich dreimal so viel Energie wie herkömmliche Server, weshalb die Energieversorgung von Rechenzen­tren an ihre Grenzen stößt.

Anforderungen an die Prozessorleistung

Herkömmliche Server verwenden Prozessoren mit einem Thermal Design Current (TDC) von unter 200 A, Co-Prozessoren mit weniger als 30 A und Speicher-DIMMs mit unter 40 A. Der Prozessor befindet sich in der Mitte der Platine, auf einer Seite ist die Stromversorgung angeschlossen, und auf den anderen drei Seiten sind Signale und Schnittstellen zur Kommunikation mit Speicher und Co-Prozessor kontaktiert.

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Mit der Weiterentwicklung von Computern und dem Aufkommen leistungsfähiger KI-Rechenanwendungen entwickeln CPU/GPU/FPGA-Anbieter und KI-Start-ups leistungsfähige ASIC- und KI-Chips. 2016 verdoppelte sich die Stromstärke auf der Hauptversorgungsleitung auf 400 A TDC. Vier Jahre später sogar auf 800 A TDC.

Durch den Stromanstieg auf über 200 A, wird einseitige Einspeisung ins Power Distribution Network (PDN) wegen der hohen Verluste unpraktikabel. Daher führten Hersteller die doppelseitige Einspeisung ein. Zwar wird dadurch der PDN-Widerstand halbiert, jedoch erhöhte sich der PDN-Verlust aufgrund der physikalischen Beziehung (P = I2R) weiter. Um Geschwindigkeit und Leistung zu erhöhen, integrieren Hersteller den Co-Prozessor und den Speicher in den Hauptprozessor. Außerdem werden DIMMs durch High-Bandwidth-Memory (HBM) ersetzt und der gesamte Strom für den KI-Prozessor im Hauptbereich der Hauptplatine gebündelt. Mit zunehmender Leistung wird somit auch die Abwärme auf einen kleinen Bereich konzentriert.

Auch die Prozessoren und deren Leitungsbedarf wachsen. Der branchenübliche Formfaktor für KI-Anwendungen ist das OCP Accelerator Module (OAM), wobei typische KI-Server-Motherboards acht und mehr OAM-Module aufnehmen können. Für größere KI-Chips und deren Strombedarf reicht die Größe eines OAMs (170 × 102 mm²) allerdings nicht mehr aus. Die neuen Hochstrom-KI-Chips sind bis zu 110 × 80 mm² groß und lassen aufgrund von zwei großen Mezzanine-Anschlüssen an der Unterseite nur wenig Platz für die Stromversorgung. Durch die hohen PCB-Verluste, die höhere Wärmedichte und die Bauhöhenbeschränkungen wird das Design eines adäquaten Kühlsystems zur Herausforderung.

Neue Herausforderungen

Konzentriert auf einen kleinen Bereich in der Mitte des OAM benötigen neue KI-Systeme über 1.000 A. Daher wird die doppelseitige Stromzufuhr durch eine mehrseitige Stromzufuhr ersetzt (Bild 1). Dadurch verringert sich der Widerstand um 1/n, wobei n die Anzahl der Seiten der Leistungsversorgung ist. So wird jedoch die Obergrenze erreicht, da ein Prozessor nur vier mögliche Seiten besitzt. Darüber hinaus ist der Bereich zur Stromzufuhr limitiert.

Durch die Anordnung der Phasen in mehreren Reihen erhöht den PDN-Widerstand, da hohe Ströme von der Rückseite um die Vorwärtsstufen herumgeführt werden. Bei vierseitigem Eingang wird außerdem die Signalinte­grität problematisch, da das Routen empfindlicher Signale bei Vermeidung störungsverursachender Leistungsebenen limitiert ist.

Ein Design mit mehr als 1.000 A erfordert eine Lösung, die drei Hürden überwindet:

• Erhöhung der Leistungsdichte, wodurch auf kleinem Raum mehr Strom entnommen werden kann,

• Erhöhte Stromversorgungsintegrität, sodass hohe Ströme in der Nähe von Hochgeschwindigkeitssignalen koexistieren können,

• Ein niedriges Profil (Bauraumhöhe), das eine Stromzufuhr unter dem Prozessor ermöglicht.

Mehr Platz durch Module

In zweiphasigen Leistungsmodulen werden Induktivität, diskrete Komponenten wie Kondensatoren und die Leistungsstufen von zwei Phasen eines mehrphasige Abwärtsreglers auf einem Substrat untergebracht (Bild 2). So entsteht ein Modul, das in einem Array als mehrphasiges System eingesetzt werden kann. Dies verringert den Platzbedarf um bis zu 40 Prozent gegenüber diskreten Lösungen. Um das thermische Design zu optimieren, stellt sich jedoch die Frage, welche Komponente auf der Fläche platziert werden sollte, die dem Kühlkörper am nächsten liegt.

Die Leistungsstufe ist für den größten Teil der Verlustleistung verantwortlich. In unmittelbarer Nähe zum Kühlkörper platziert, lässt sich der Wärmeleitpfad mini­mieren und die thermische Leistung verbessern. Der kürzere Wärmeleitpfad führt jedoch zu einem längeren elektrisch leitenden Pfad auf der Eingangsseite, was zu zusätzlichen Verlusten und einem geringerem Wirkungsgrad führt. In einem optimierten Modul wird die Leistungsstufe auf der Seite der Hauptplatine des Moduls belassen, wodurch sowohl Leitungs- als auch parasitäre Verluste minimiert werden. In dieser Konfiguration befindet sich die Induktivität zwischen der Endstufe und dem Kühlkörper, wobei die Endstufe durch die thermische Kopplung mit dem Kühlkörper dennoch effektiv gekühlt wird.

Die zweiphasigen Module von Infineon nutzen ein proprietäres „Inductor-on-Top“-Design, das eine verbesserte thermische Leistung bei höherem Wirkungsgrad ermöglicht (Bild 3). Damit wird die Wärmeableitung über die Induktivität auf die Oberseite maximiert. Darüber hinaus kommt mit dem Substrat eine wichtige Komponente zum Spannungsregler hinzu. Es isoliert den Schaltknoten von der Hauptplatine, wodurch alle Eingangs- und Ausgangsströme des Moduls auf eine konstante Gleichspannung gebracht werden. Dies verbessert die Signalintegrität, da AC-Spannungen von der Hauptplatine eliminiert und empfindliche Signale vor Rauschen geschützt werden.

Bei höheren Schaltfrequenzen behindern die para­sitären Eigenschaften des Schaltknotens das effiziente Schalten des Spannungsreglers. Durch die Integration des Schaltknotens in das Modul (Bild 4) werden seine para­sitären Impedanzen minimiert, was einen effizienteren Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen ermöglicht (Bild 5). Spannungsregler mit hoher Schaltfrequenz verwenden kleinere Induktivitäten und weniger Ausgangskapazität, was die Leistungsdichte erhöht.

Befindet sich der Schaltknoten nicht mehr auf der Hauptplatine, kann das Modul unter dem Prozessor platziert werden. Auf diese Weise werden PDN-Verluste minimiert, da der Hochstrom vertikal durch den Querschnitt der Hauptplatine fließt, anstatt seitlich durch das Gehäuse zum Kern. Dadurch wird der Strompfad um das 30-fache verkürzt, was die Leistungsverluste extrem verringert.

Untersuchung des PDN

Zweiphasige Leistungsmodule sind für Hochleistungs-GPU-Systeme von entscheidender Bedeutung, da sie eine effektive Leistungsdichte und Signalintegritätsverwaltung ermöglichen, ohne die Systemeffizienz zu verringern. Durch die Platzierung der Module in unmittelbarer Nähe des Prozessors und die Nutzung der gesamten verfügbaren Montagefläche können über 2.000 A erreicht werden, indem die PDN-Verluste reduziert werden.

Man gehe von einem 2.000 A OAM mit 90 µΩ Widerstand auf der Nord- und Südseite des Prozessorkerns aus. Werden 100 Prozent des Stroms von beiden Seiten entnommen, ergeben sich 180 W PDN-Verluste, also mehr als 10 Prozent der Gesamtverluste des Prozessors – unter der Annahme von 0,8 V Kernspannung. Wenn 60 Prozent dieses Stroms von der Unterseite des Prozessors mit 18 µΩ entnommen werden, sinken die PDN-Verluste um 70 Prozent auf 50 W oder etwa 3,1 Prozent des Gesamtverlusts des Prozessors. Durch die Einsparung von 130 W pro Prozessor sparen moderne Rechenzentren mit rund 100.000 Prozessoren einige Megawatt ein. Service-Provider können die XDP-Controller von Infineon und zweiphasige Stromversorgungsmodule mit KI-Funktionen in Rechenzentren kombinieren, um optimale Effizienz bei der Stromumwandlung zu erzielen.

Zusammenfassung

Das Rechenzentrum der Zukunft läuft mit Tausenden von KI-Beschleunigern, von denen jeder über 1.000 A benötigt. Der Aufbau eines grünen Rechenzentrums beginnt mit der Entwicklung eines effizienten Spannungsreglers, der diese KI-Beschleuniger mit hoher Leistungsdichte und Effizienz versorgt. Die kompromisslose Steigerung der Leistungsdichte ist der Schlüssel zu einem effizienten und umweltfreundlichen 2.000-A-GPU-System und sogar darüber hinaus. Module eröffnen neue Wege, um den mehrphasigen Spannungsregler weiter zu integrieren und gleichzeitig näher an den Prozessor zu rücken.

Die patentierte Drossel-Technologie von Infineon führt sowohl den Ausgangsstrom als auch die Wärme vom Modul ab und ermöglicht eine erstklassige Systemleistung bei einfacherer Konstruktion. Die Kombination der Trench-Bauteiltechnologie von Infineon mit dieser patentierten Magnettechnologie ermöglicht echte VPD-Architekturen (Vertical Power Delivery), mit denen KI-Prozessoren die bestmögliche Leistung bei niedrigsten Gesamtbetriebskosten erzielen.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS.

* Davood Yazdani ist Senior Director Product Marketing bei Infineon Technologies, Paul Yeaman ist Director Power Module Design Engineering bei Infineon Technologies.

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