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48 V für Rechenzentren

GaN pusht High-Density-Server

30. November 2020, 15:43 Uhr   |  Autor: Alex Lidow, Redaktion: Ute Häußler

GaN pusht High-Density-Server
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Für High Performance Computing (HPC), KI, Cloud Computing oder Big Data benötigen Serversysteme massive Rechenleistung auf kleinstem Raum. Deshalb boomt auch in Rechenzentren GaN und senkt dabei die Kosten für 48-V-Leistungswandlung. Welche GaN-Vorteile können Hochleistungsserver konkret nutzen?

Die Anforderungen an eine höhere Leistungsdichte sind seit der Einführung von MOSFETs Ende der 1970er-Jahre von Jahr zu Jahr gestiegen und zeigen keine Anzeichen einer Verlangsamung. Die hohe Rechenintensität moderner Serversysteme treibt die Umstellung von 12-V-Verteilerbussen auf dem Board auf eine zweistufige Lösung mit einer ersten Stufe auf 48 V und einer zweiten Stufe von 12 auf 5 V voran. Das bisher in der Leistungselektronik universell eingesetzte Silizium (Si) hat mit Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) längst zwei leistungsstarke Kollegen bekommen. Gerade für rechenintensive Serversysteme kann der Leistungshalbleiter GaN seine Vorteile voll ausspielen und HPC-Anwendungen noch kraftvoller und schneller gestalten.

Leistungsdichte, Bauraum, Kosten

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Bild 1. Gütekennzahlen (a) Fläche x RDS(on) und (b) RDS(on) x Qg. Die blauen Linien zeigen die physikalischen Grenzen von Si-MOSFETs auf.

Bild 1(a) vergleicht GaN- mit Silizium-MOSFETs, wobei GaN-Transistoren die Kennzahl (FOM, Figure of Merit) aus Fläche und Einschaltwiderstand RDS(on) bei 100 V um das Fünffache verbessert. Dies führt zu einer geringeren Baugröße und geringeren Kosten oder einem niedrigeren RDS(on) bei gleicher Größe. Bild 1(b) beschreibt eine zweite wichtige Kennzahl aus Einschaltwiderstand RDS(on) und nominaler Gate-Ladung Qg, wobei GaN bei 100 V ebenfalls fünfmal besser als Silizium in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit ist, was zu geringeren Verlusten führt. Schließlich ermöglichen die fehlende Umkehr-Erholungsladung (QRR) und die geringeren Schaltverluste von GaN eine höhere Frequenz, was zu einer höheren Leistungsdichte führt.

Server-Busverteiler

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Bild 2. Herkömmliche Server-Architektur.

Die in Bild 2 dargestellte herkömmliche Server-Architektur verwendet Rack-basierte, isolierte und geregelte 48-V-DC/DC-Wandler, die auf 12 V wandeln, und anschließend über Point-of-Load (POL)-Wandler CPUs oder GPUs versorgen.

Aufgrund des weiter steigenden Leistungsbedarfs gehen viele Server, vor allem die neueren Hyperscale-Server sowie die neueste Generation GPU-basierter KI-Server, von 12- auf 48-V-Eingänge am Server-Board über.

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Bild 3. Aufkommende Server-Topologie mit 48-V-Eingangsspannung am Board.

Bild 3 zeigt eine immer beliebter werdende Server-Topologie mit 48-V-Eingang. Die viermal höhere Eingangsspannung erleichtert die Verteilung hoher Leistung und verbessert den Wirkungsgrad. Der Übergang von älteren 12-V-Server-Racks auf 48-V-Racks kann die Energieverluste um mehr als 30 Prozent reduzieren.

Weitere Vorteile der 48-V-Verteilung auf Systemebene sind eine bessere Kupferauslastung und geringere Verteilungsverluste. Bei einem bestimmten Leistungspegel und Busquerschnitt reduzieren 48-V-Systeme die Verteilerbusverluste um 94 Prozent im Vergleich zu 12-V-Ausführungen. Anders gesagt: ein 48-V-Verteilerbus kann bei gleichem Busverlust die vierfache Leistung eines 12-V-Systems liefern.

5-V-Zwischenbus-Architektur

Eine effiziente Art, Leistung von 48 V auf den POL (Lastpunkt) zu wandeln, ist eine zweistufige Umwandlung mit einer Zwischenspannung von 12 oder 5 V. Der Wechsel zu einem 5-V-Zwischenbus bietet dabei zusätzliche Vorteile gegenüber einem 12-V-Bus.
Durch Senken der Zwischenbusspannung von 12 auf 5 V kann ein Techno­logiewechsel der Leistungs-MOSFETs im POL-Wandler zu BCDMOS-Leistungsstufen mit höherer Dichte erfolgen. Diese lassen sich mit höheren Frequenzen betreiben, wodurch der POL-Wandler kleiner wird und sich viel näher an der GPU oder CPU platzieren lässt.

Dieser geringere Abstand senkt den Widerstand zwischen POL und GPU/CPU um bis zu 350 µΩ, was bei 1000 A Strom bis zu 350 W weniger Verlustleistung bedeutet.
Für die 48-V-Wandlung über einen Zwischenbus auf 12 oder 5 V in Servern finden sich drei gängige Topo­logien: Buck-/Abwärts-, LLC- und Switched-Capacitor-Wandler. Tabelle 1 führt die jeweiligen Anwendungs­bereiche auf.

WandlungLeistungBuckLLCSwitched Cap
48 V - 12 V<= 300 Vja ja
48 V - 12 V300 W - 600 Wjajaja
48 V - 12 V600 W - 1 kWjaja 
48 V - 5 V oder 6 V300 W - 1 kW ja 

 

Der Switched-Capacitor-Wandler ist kostengünstig und bei 48 auf 12 V sowie bei unter 600 W sehr effizient. Für höhere Leistungen ist er jedoch begrenzt und für 48 auf 5 V zu kompliziert.

Der Buck-/Abwärtswandler ist die kostengünstigste und kleinste Lösung für 48 auf 12 V sowie bis 300 W. Sowohl der Buck- als auch LLC-Wandler haben eine höhere Leistungsdichte als der Switched-Capacitor-Wandler. Das LLC-Design ermöglicht jedoch den besten Wirkungsgrad für über 600 W sowohl für 48 auf 12 V als auch für 48 auf 5 V. Außerdem ist es die beste Topologie für ein Uin/Uout-Verhältnis von 8:1 oder 10:1.

Die LLC-Topologie bietet dementsprechend die beste Systemeffizienz und eine sehr hohe Leistungsdichte. Heute sind extrem kleine Module mit 486 mm2 Platzbedarf und 300 W Leistung erhältlich, die eine sehr hohe Leistungsdichte von 1700 W/in3 erzielen. Zur Evaluierung kann sogar auf Module mit 600 W
und 936 mm2 zugegriffen werden. Diese Module mit hoher Leistungsdichte basieren alle auf gängigen 100-V-GaN-Bauelementen, die einen Betrieb mit 1 MHz
ermöglichen.

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Bild 4. GaN-FET mit 98 Prozent Wirkungsgrad und 1 kW Leistung im 1/8-Brick-Format.

LLC ist auch eine sehr gute geeignete Topologie für höhere Leistungen. Bild 4
zeigt einen GaN-FET-Baustein mit 1-kW-LLC-Aufbau im 1/8-Brick-Format. Trotz der kompakten Größe bietet er unter Volllast einen projektierten Wirkungsgrad von 98 Prozent. Neueste Server erfordern Eingangsleistungen von über 2 kW für einen 48-V-Server und bis zu 1 kW für eine KI-Karte. Mit 1-kW-Modulen können Entwickler von Stromversorgungssystemen die Modulanzahl verringern, um die Größe und die Kosten des Gesamtsystems zu reduzieren.

Höhere Leistungsdichte durch Integration

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Bild 5. Leistungsstufe EPC2152 – Single-Chip-Treiber und eGaN-FET-Halbbrücke.

Da GaN eine laterale Halbleitertechnologie ist, ist es sehr einfach, Lösungen über diskrete Bauelemente hinaus zu integrieren. Die in Bild 5 dargestellten voll integrierten Leistungsstufen sind Anfang 2020 auf den Markt gekommen.

Der hohe Integrationsgrad des gezeigten GaN-ICs erhöht den Wirkungsgrad weiter. Bild 6 zeigt den Effizienzgewinn zwischen der integrierten GaN-Leistungsstufe und einer diskreten Lösung mit einem Treiber und zwei GaN-FETs, die sowohl bei 1 MHz als auch bei 2,5 MHz arbeiten. Die grünen Kurven zeigen die integrierten Lösungen; die blauen Kurven die diskreten Lösungen.

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Bild 6. Monolithische vs. diskrete 48-auf-12V-Buck-/Abwärtswandler-Topologie mit L= 2,2 μH und einem Luftstrom von 800 LFM.

Für 48 auf 12 V bei 1 MHz liefert die integrierte Lösung einen Spitzenwirkungsgrad von mehr als 96 Prozent und eine Effizienzsteigerung von bis zu zwei Prozent bei 12,5 A. Dies lässt sich durch drei Faktoren erklären: 1.) die Abstimmung der Treiber mit FETs; 2.) keine parasitäre Gate-Schleife, gemeinsame Source- und Power-Schleifeninduktivitäten und 3.) thermischer Abgleich der beiden FETs. Dieses hohe Integrationsniveau sorgt auch für weniger Platzbedarf und geringere Verluste in den zuvor erwähnten LLC-Wandlern.

48 V und GaN beschleunigen Server

Der 48-V-Eingang in rechenintensiven Serversystemen geht rasch von siliziumbasierten Leistungs-MOSFETs auf GaN-Leistungstransistoren und bald auf hochintegrierte GaN-basierende Power-ICs über. Die Sekundärseite bleibt der Bereich des Leistungs-MOSFETs – sofern sie bei 12 V liegt. Da die Sekundärseite jedoch auf niedrigere 5-V-Spannungen übergeht, können monolithische BCDMOS-ICs als Synchrongleichrichter dazu dienen, in rechenintensiven Serversystemen zu geringeren Kosten zu führen und eine höherer Effizienz als mit diskreten MOSFETs zu erreichen.

In ähnlicher Weise ändert sich mit der Verschiebung der sekundären Busspannung von 12 V auf 5 V auch der Point-of-Load-Wandler (POL) hin zu monolithischen BCDMOS-Leistungsstufen, die mit einem höheren Wirkungsgrad und bei höheren Frequenzen arbeiten können als der alternde Leistungs-MOSFET. POL-Wandler mit GaN als Halbleiter haben so das Potenzial HPC-, KI- und Cloud-Anwendungen leistungsstark zu beschleunigen sowie effizienter und kostengünstiger auf immer kleineren Bauräumen zu machen. UH

Der Autor

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Dr. Alex Lidow ist CEO und Mitgründer von EPC, davor war er CEO bei International Rectifier. Lidow ist Miterfinder des HEXFET-Leistungs-MOSFETs und hält zahlreiche Patente. Seinen Physik-Bachelor machte er am California Institute of Technology, seine Promotion folgte an der Stanford University.

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