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Die Rolle von Halbleitern

Keine KI ohne Strom: Große Herausforderungen für Rechenzentren

24. Januar 2025, 8:00 Uhr | Von Adam White

KI-Rechenzentren haben einen enormen Energiebedarf - 400-V-SiC-MOSFETs bieten eine Möglichkeit, die Leistungsdichte von Stromversorgungen für KI-Rechenzentren deutlich zu erhöhen.

Rasante Fortschritte bei KI-Anwendungen und das zunehmende Tempo der Anwenderakzeptanz von künstlicher Intelligenz, haben den Strombedarf von Rechenzentren drastisch ansteigen, und stellen die Stromnetze vor große Herausforderungen. 400-V-SiC-MOSFETs können hier für mehr Effizienz sorgen.

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KI-Anwendungen sind notorische Stromfresser und benötigen enorme Mengen an Energie, um riesige Datenmengen zu verarbeiten und zu analysieren. So liegt der Strombedarf eines einzigen KI-Rechenzentrums in etwa bei dem, was drei Millionen Haushalte verbrauchen. Im Jahr 2022 lag der Anteil der Rechenzentren am weltweiten Endstrombedarf bei ~2 Prozent. Dieser Trend wird sich fortsetzen, denn es ist zu erwartet, dass der Anteil der Rechenzentren an der weltweiten Endnachfrage nach Strom deutlich zunehmen wird – bis 2030 werden es bis zu 7 Prozent sein (Bild 1). Dies führt zu einem gestiegenem Bedarf an Leistungshalbleitern, die den besonderen Anforderungen von KI-Rechenzentren gerecht werden können. Ohne ein effizientes und zuverlässiges Energiemanagement können KI-Anwendungen nicht funktionieren, geschweige denn ihr volles Potenzial ausschöpfen.

Keine KI ohne Strom: Das ist eine harte Realität, die die entscheidende Bedeutung des Energiemanagements in KI-Rechenzentren unterstreicht. Angesichts der dynamischen Weiterentwicklung der Branche ist klar, dass die Energieeffizienz eine entscheidende Rolle für den Erfolg von KI-Anwendungen spielen wird. Immer mehr Strom muss auf immer weniger Raum in einem KI-Server bereitgestellt, umgewandelt und verwaltet werden. Dafür sind Leistungshalbleiter notwendig, welche die Server energieeffizienter, robuster und mit einer höheren Energiedichte mit Strom versorgen. Dadurch ermöglichen Halbleiter ein Wachstum von KI-Anwendungen, welches bisher unvorstellbar war.

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»Power First«- und »Grid to Core«-Ansatz

Ein umfassender Ansatz für die Energieversorgung von KI basiert auf zwei Grundprinzipien: »Power First« und »Grid to Core«. Indem man den Gedanken an eine höhere Energieeffizienz und einen geringeren Stromverbrauch bereits in der Entwicklungsphase neuer KI-Serversysteme einbezieht (»thinking power first«), lässt sich ein großer Hebel generieren, um den Strombedarf neuer KI-Serversysteme zu senken. Durch die holistische Optimierung der Energieversorgung in jedem Schritt der Energieumwandlung, vom Stromnetz (»grid«) bis zum Kern (»core«) der KI-Rechenzentren, sorgen High-End-Halbleiterlösungen für einen effizienteren und robusten Energiefluss.

Ausfallzeiten oder Systemausfälle in KI-Rechenzentren können außerordentlich kostspielig sein: 40 Prozent der in einer ITIC-Umfrage aus dem Jahr 2020 befragten Unternehmen gaben an, dass die Verluste pro Stunde Ausfallzeit mehr als eine Million US-Dollar betragen. Um diese hohe Energieeffizienz zu erreichen, sind unter anderem neue, hochmoderne Materialien mit großer elektronischer Bandlücke, sogenannte Wide-Bandgap (WBG)-Materialien, wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) entscheidend, um die Verluste bei der Energieumwandlung zu verringern. Halbleiter, die auf WBG-Materialien basieren, können höhere Spannungen und Temperaturen aushalten, wie sie in Hochleistungscomputerumgebungen üblich sind.

15 Prozent der Energie als Verluste

In einem durchschnittlichen Rechenzentrum gehen etwa 15 Prozent der Energie als Verluste im Stromversorgungsnetz während der verschiedenen Umwandlungsschritte verloren. Das ist eine beachtliche Zahl, doch können moderne Halbleiter diese Verluste signifikant reduzieren. Durch den Einsatz hocheffizienter Leistungshalbleiter können die Betreiber von Rechenzentren die Verluste im Stromversorgungsnetz von 15 Prozent auf etwa 10 Prozent senken. Bei dieser Verbesserung der Energieeffizienz – von einer durchschnittlichen Stromflusseffizienz von 85 Prozent auf jetzt bis zu 90 Prozent – geht es nicht nur um Energieeinsparungen. Diese Verbesserung zeigt auch den entscheidenden Fortschritt bei Halbleiterlösungen und der Fähigkeit, die Umweltauswirkungen dieser Anlagen zu verwalten und zu mindern und die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) für den Betrieb von KI-Rechenzentren zu senken (Bild 2).

TCO ist eine umfassende finanzielle Schätzung, die alle Kosten umfasst, die mit der Anschaffung, dem Betrieb und der Wartung eines KI-Servers über seine Lebensdauer verbunden sind. Da KI-Rechenzentren wesentlich mehr Strom benötigen als herkömmliche Rechenzentren und der Strombedarf schnell steigt, können die Betriebskosten deutlich höher sein. So können die Kosten eines KI-Servers bis zu 30-mal höher sein als die eines herkömmlichen Servers, was vor allem auf den hohen Strom- und Kühlungsbedarf zurückzuführen ist.

Durch die Steigerung der Energieeffizienz können die Gesamtbetriebskosten erheblich gesenkt werden, was zusätzlich zu einer signifikanten Verringerung der CO2-Emissionen und einer geringeren Wärmeabgabe führt, was wiederum den Kühlungsbedarf senkt und wertvolle Wasserressourcen schont.

Nachhaltige Zukunft für KI-Rechenzentren

Wenn die Branche in die Zukunft blickt, ist klar, dass Nachhaltigkeit eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von KI-Rechenzentren spielen wird. Aus diesem Grund kann die Bedeutung einer effizienten Energieversorgung für KI kann nicht hoch genug eingeschätzt werden – sie ist und bleibt ein wichtiger Schwerpunkt. Bei einem effizienten Energiemanagement geht es nicht nur darum, die Leistung zu steigern oder die Kosten zu senken, sondern auch darum, ein nachhaltiges Wachstum von KI-Technologien zu ermöglichen, das mit unserer Verantwortung für die Umwelt vereinbar ist.

Zusammengefasst heißt das: Es gibt keine KI ohne Strom. Diese Tatsache treibt die Halbleiterhersteller dazu an, ihre Technologien weiterzuentwickeln und sicherzustellen, dass sich mit der Weiterentwicklung der KI auch die Lösungen für ihre effiziente und effektive Stromversorgung weiterentwickeln. Für die Zukunft ist eine Landschaft zu erwarten, die reich an Möglichkeiten für weitere technologische Durchbrüche ist. Durch die enge Zusammenarbeit mit den weltweit führenden KI-Akteuren und -Ökosystemanbietern werden Unternehmen wie Infineon Technologies die Branche prägen, indem sie erstklassige Stromversorgungslösungen von »grid to core« anbieten, die eine sichere und nachhaltige Stromversorgung unterstützen.