Elektroniknet Logo

onsemi

Energieeffizienz der Cloud erhöhen

Cloud
© Adobe/WEKA Fachmedien

Immer mehr nutzen Cloud-Computing, was den Energiebedarf in die Höhe treibt. Um diesem Trend entgegenzuwirken, muss die Energieeffizienz gesteigert werden.

Der weltweite Markt für Rechenzentren soll laut ResearchAndMarkets jährlich im Durchschnitt (CAGR) um 6,4 Prozent von 19,1 Mrd. Dollar im Jahr 2020 auf 26,1 Mrd. Dollar bis 2025 anwachsen. Mit dem steigenden Bedarf an Cloud-Computing steigt auch der Bedarf an Rechenleistung. Der geschätzte weltweite Stromverbrauch von Rechenzentren im Jahr 2018 betrug 205 TWh. Bei einem derart hohen Stromverbrauch sind Effizienz und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung.

Die meisten Racks in Rechenzentren werden mithilfe einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) mit einer Spannung von 220 V und einer Leistung von fast 100 kW pro Rack versorgt. Da die meisten Core-Prozessoren mit einer Spannung unter 2 V arbeiten, müssen die hohen Spannungspegel umgewandelt und verteilt werden. Je höher die Nennleistung ist, desto größer ist auch die Strommenge, die mit größtmöglicher Effizienz verteilt werden muss, um Leistungs- und Wärmeverluste zu minimieren.

Die meisten Server-Racks verfügen als Hauptversorgung über eine 48-V-Backplane-Stromversorgung; 48 V sind seit jeher die Standard-Stromversorgung in der Telekommunikations- und Netzwerkinfrastruktur.

Bild 1: Blockdiagram vom AC-Netz zur Server-Backplane
Bild 1: Blockdiagram vom AC-Netz zur Server-Backplane
© onsemi

48 V contra 12 V

Es gibt viele Diskussionen rund um die 48-V-Versorgung von Servern. Typischerweise beträgt die interne Stromversorgung der meisten Rechner- und Serverplattformen 12 V. Dies war eine gängige Anforderung, die sich aus älteren Halbleitertechnologien sowie aus Festplatten (HDDs) für nichtflüchtige Speicher, Lüfter und andere Komponenten auf der Rechnerplattform ergab. Da die CPU-Stromaufnahme mit jeder neuen Prozessorgeneration deutlich gestiegen ist, stiegen auch die Leitungsverluste und Ineffizienzen. Leistungsverluste führen auch zu Wärme, was die Lebensdauer von Halbleitern verringert. Eine Möglichkeit, diese Leistungsverluste zu minimieren, besteht darin, die Server selbst mit 48-V-Rackversorgungen auszustatten und spezielle 48-V-PoL-Stromwandler (Point of Load) einzusetzen.

Leitungsverlust = (Laststrom²) x (Leitungswiderstand)

Eine 48-V-Stromversorgung kann mit einem Viertel des Stroms die gleiche Leistung an eine Last liefern. Dadurch verringert sich die Verlustleistung im Leitungspfad um das 16-fache. Diese deutliche Verbesserung der Systemeffizienz bringt allerdings einige Herausforderungen mit sich. 12-V-Stromversorgungen wurden über viele Generationen hinweg optimiert und sind äußerst effizient. Die Stromversorgung mit höherer Spannung erfordert eine größere Abwärtsspannung, um die CPU-Core-Spannungen zu erreichen, was eine weniger effiziente Leistungswandlungsstufe zur Folge hat. Außerdem sind Halbleitertechnologien für höhere Spannungen erforderlich, die dazu neigen, bei MOSFETs einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit aufzuweisen, was die Systemkosten erhöht. Diese Probleme haben zu Neuerungen und fortschrittlichen Architekturen geführt, die versuchsweise eingesetzt werden. Eine der vielversprechendsten neuen Stromwandlungstechniken ist der STC-Wandler (Switched Tank Capacitor; Bild 2).

Bild 2: Switched-Tank-Capacitor-/STC-Wandler
Bild 2: Switched-Tank-Capacitor-/STC-Wandler
© onsemi

Dieser Wandler zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad und in den meisten Fällen durch eine kleinere Schaltungsfläche aus. Je nach Entwickler und Gesamtsystemarchitektur haben sich ein- sowie mehrstufige Wandler bewährt. Die spezifische Zwischenspannung variiert je nach Halbleiterhersteller und wird meist auf der Grundlage der jeweiligen Technologie ausgewählt. Als effizienteste und häufigste Gesamtlösung für die Stromversorgung des CPU-Cores hat sich eine Wandlung von 48 auf 12, und dann auf 1 V erwiesen. Dieser Ansatz nutzt ausgereifte Lösungen und senkt die Netto-Abwärtsspannung, um die Gesamteffizienz des Systems zu maximieren (Bild 3).

Bild 3: Zweistufiger 48-V- auf 1-V-Wandler
Bild 3: Zweistufiger 48-V- auf 1-V-Wandler
© onsemi

  1. Energieeffizienz der Cloud erhöhen
  2. Core-CPU-Versorgung

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

ON Semiconductor Germany GmbH