Schwerpunkte

Energiemanagement für Rechenzentren

Leistungselektronik öffnet neue Horizonte

22. Januar 2021, 07:00 Uhr   |  Autor: Roland Hümpfner; Redaktion: Ute Häußler

Leistungselektronik öffnet neue Horizonte
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Rechenzentren boomen dank stetig steigender Datenvolumina. Die hohen Erwartungen an eine mitwachsende Leistungsdichte und Effizienz bei gleichzeitiger Verkleinerung aller Systeme müssen verteilte Architekturen und modernste Leistungselektronik erfüllen, unterstützt durch modernes Energiemanagement.

Streaming, Automatisierung, KI und Edge Computing in Echtzeit – das weltweit produzierte Datenvolumen wächst seit Jahren rasant, bis 2025 soll es 163 Zettabyte erreichen.

Die Digitalisierung und das IoT erhöhen die Anforderungen an Datenübertragung, -verarbeitung und -speicherung. Mit Edge Computing werden Daten zum Teil lokal am Entstehungsort gehostet und verarbeitet, ein großer Teil aber über das Internet zur Verarbeitung in zentrale Datenzentren geleitet. Cloud Computing sowie High Performance Computing treiben die Rechenzentrumsindustrie dazu an, ihre Kapazitäten zu erweitern. Stromsparende Prozessorgenerationen und das Moore‘sche Gesetz haben dazu beigetragen, dass der Energiebedarf der Rechenzentren zwar kräftig wächst, der Anstieg des Gesamtstromverbrauchs pro Recheneinheit aber begrenzt ist. Doch die Anforderungen an die Datenverarbeitungskapazitäten steigen weiterhin, mit noch nicht absehbaren Folgen für den Stromverbrauch.

Kontinuierliches Wachs-tum des Strombedarfs

In Expertenkreisen heißt es, auf den Betrieb von ICT-Technologie entfielen bis zu acht Prozent des weltweiten Stromverbrauchs, was sich bis 2030 auf bis zu 8.000 TWh aufaddieren könne. Mainovia, ein großer Energieversorger im Raum Frankfurt, schätzt, dass 20 Prozent des Stromverbrauchs in und um Frankfurt allein durch Rechenzentren verursacht werden. Dieser Energieverbrauch berücksichtigt nur den Bedarf während der Betriebszeit des Rechenzentrums, beinhaltet für die Nachhaltigkeitsbewertung jedoch nicht die Gesamtbilanz einschließlich der Produktion der Komponenten und der Konstruktion des Gebäudes.

Um einen störungsfreien Serverbetrieb sicherzustellen, ist eine definierte Stromqualität erforderlich. Mit zunehmendem Leistungsbedarf wird die Stromversorgung durch einphasige Netzteile immer schwieriger, da die Leistung mit der doppelten Grundfrequenz gepuffert werden muss. Mit der Einführung virtualisierter Server, bei denen die Trennung in der logischen Ebene und nicht in der physischen Hardware liegt, steigt die Aus­lastung der Server nochmals drastisch an. Der Strom eines zentralisierten Rechenzentrums wird normalerweise durch eine oder mehrere Mittelspannungsversorgungen (MV) bereitgestellt (Bild 1). Für den Fall einer Netzstörung werden redundant vorhandene unterbrechungsfreie Stromversorgungen und dieselbetriebene Notstromgeneratoren eingesetzt. Die Energieeffizienz von der MV-Versorgung bis zum Eingang des Servers erfuhr in den letzten Jahren eine starke Verbesserung. Die Verluste gingen von 20 bis 30 auf etwa fünf Prozent zurück. Innerhalb der Server liegen die aktuellen Verluste mit durchschnittlich 15 bis 20 Prozent prozentual höher.

Huawei Rechenzentren
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Bild 1. Typischer Stromfluss in einem Rechenzentrum mit Verteilung, Sicherung und Laststeuerung für eine stabile Server-Versorgung.

Ein wesentlicher Teil der Effizienzkette für den Strompfad befindet sich innerhalb der Server. Deren Netzteil wandelt die Wechselspannung mit einem weiten Eingangsbereich in einen galvanisch isolierten DC-Ausgang, häufig 48V (DC), um. Um den Energieverbrauch des Prozessors zu verringern, werden die Versorgungsspannungen immer niedriger. Für moderne Prozessoren liegen diese heute im Bereich von 1,8V, 1V oder sogar 0,8V.

Redundant und ausfallsicher

Die Stromversorgung eines Servers basiert zumeist auf einer Dual-Feed-Architektur. Die gesamte Strominfrastruktur ist dementsprechend mit einer N+N-Redundanz ausgelegt und besteht aus zwei unabhängigen Stromversorgungssystemen, jeweils mit N Modulen. Im Redundanzbetrieb arbeiten beide Systeme parallel und teilen sich die zu versorgenden Verbraucher. Jedes einzelne System ist aber auch in der Lage, alle Verbraucher eigenständig zu versorgen. Der Gesamtleistungsbedarf eines Rechenzentrums kann mehrere 10 MW betragen, die normalerweise in Leistungszellen von 1 MW bis 2,5 MW aufgeteilt sind. In den meisten Fällen besteht eine solche Zelle aus einem Mittelspannungstransformator, einem Dieselgenerator und einem statischen Akku-Block zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), der meist mit Blei-Säure-Batterien in Doppelwandlung arbeitet, um die volle Leistung im Notfall für fünf bis zehn Minuten puffern zu können, bis der Generator hochgefahren ist.

Ein wichtiger Aspekt der Rechenzentrumsinfrastruktur ist deren Verfügbarkeit. Trotz der an den meisten Standorten zuverlässigen europäischen Netzversorgung gibt es in der Regel einen kraftstoffbetriebenen Back-up-Generator, der das Rechenzentrum für bis zu 72 Stunden unter Volllast betreiben könnte. Dieses Notstromsystem macht zusammen mit dem Netz­anschluss den größten Teil der Gesamtinvestitionen in die Strom­-infra­struktur aus.

In den Servern selbst benötigen die Prozessoren eine konstante Leistung ohne Unterbrechungen. Aufgrund der Wechselstromversorgung ist immer ein Pufferkondensator vorhanden, der die Welligkeit der gleichgerichteten Leistung von 100 Hz (120 Hz) in einer einphasigen Versorgung ausgleicht. Die Computerindustrie hat Stromqualitätskriterien definiert, um die Haltezeit der Stromversorgung zu spezifizieren. Im Gesamtstrompfad finden sich normalerweise die Batterie-Autonomiezeit und das Generator-Set für die Überbrückung sehr langer Störungen.

USV-Puffer und deren Topologien

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) werden bisher meist zentralisiert, mit dreiphasigen USV-Modellen und im Doppelwandler-Modus betrieben. Der DC-Zwischenkreis speist einen Wechselrichter und wird durch eine geschlossene Bleisäure-Batteriebank (VLRA) gepuffert. Aufgrund des oft im Megawatt-Bereich liegenden Leistungsbedarfs arbeiten zumeist mehrere statische USV-Blöcke parallel (Bild 2).

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Bild 2. USV-Racks ­können mit unterschiedlichen Kapazitäten flexibel in ­Server-Aufbauten integriert werden. ­

Eine der effizientesten Umrichtertopologien verwendet den bekannten und beliebten „Vienna Rectifier“ sowie einen 3-Level-Wechselrichter. Der konstante, geregelte DC-Bus wird durch einen DC/DC-Wandler gepuffert, der im Bedarfsfall die Energie aus dem Akkuspeicher zur Verfügung stellt. Diese Architektur ermöglicht eine vollständig geregelte Aufteilung zwischen den beiden Quellen, dem Wechselstromnetz und dem Akku-Pack. Einziger Nachteil: Der Vienna Rectifier unterstützt nur einen unidirektionalen Leistungsfluss von AC zu DC. Aber, er kann einen niedrigen THDi (Total Harmonic Distortion of Current)mit einem Leistungsfaktor von „Eins“ liefern, was die meisten Anwendungen fordern. Selbst mit Halbleiterelementen auf Siliziumbasis lässt sich eine Wandler-Schaltfrequenz von bis zu
20 kHz erreichen, was zusammen mit der 3-Stufen-Topologie relativ kleine LC-Schaltfrequenzfilter ermöglicht.

Mit Multicell- und Multilevel-Technologien können die Filterinduktivitäten und -kondensatoren noch weiter minimiert werden. So lassen sich die Filterverluste auf unter 0,5 Prozent reduzieren, sodass die Halbleiterverluste dominieren. Der ausschließliche Einsatz von Silizium-Leistungsbauelementen erreicht heute bereits doppelte Umwandlungswirkungsgrade von bis zu 97,5 Prozent. Verbesserungen der Halbleiterkomponenten sowie für Rechenzentren neue Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid versprechen in Zukunft Spitzenwirkungsgrade von 98 Prozent und mehr.

Lebensdauer und Zustand

Die meisten USVs arbeiten unter konstanten Betriebsbedingungen und weisen aufgrund des redundanten Designs relativ geringe Lastpegel auf. Trotzdem muss nach zehn bis 15 Jahren meist ein Austausch erfolgen, da etwa die Alterung von Komponenten wie Elektrolytkondensatoren das Ausfallrisiko erhöht. Zur besseren Einschätzung berechnen moderne USV-Systeme den Zustand (State of Health) aller wichtigen Komponenten mithilfe von Lebensdauermodellen. Da alle Komponenten meist für eine ähnliche Lebensdauer ausgelegt sind, dürfen während des Betriebs keine Verschleißteile ausgetauscht werden, welche die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Energiesystems gefährden.

Energieaufteilung und -verteilung

Die Energieverteilung in einem Rechenzentrum unterliegt verschiedenen Herausforderungen. Erstens müssen mögliche Fehler und daraus folgende Versorgungsausfälle mit einer redun­danten Struktur gepuffert werden. Zweitens muss jedes Fehlerereignis in der Verteilung oder in der Last einzeln identifiziert und isoliert untersucht werden. In einem Stromversorgungssystem, welches aus mehreren leistungselektronischen Wandlern besteht, kann jede IT-Last von einer dedizierten Wandleranordnung gespeist werden. Während der Eingang parallelgeschaltet ist, kann der Ausgang von den Leistungswandlern individuell gesteuert und in verschiedene Lastgruppen aufgeteilt werden. Abhängig vom individuellen Leistungsbedarf kann die Übertragungsspannung so gewählt werden, dass die Anforderungen an Verkabelung und Sammelschienen minimal sind.

Für die Zukunft gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Stromspeicherung und die Notstromversorgung effizient und emissionsarm zu realisieren. Dazu gehören auch dezentrale Speicher, welche in IT-Geräten verteilt sind. Die technologische Weiterentwicklung der Speichermedien, etwa bei Lithium-Ionen-Akkus, wird deren Leistungsdichte weiter erhöhen, benötigt aber auch sehr genau geregelte Zellspannungen. Der Notstromdiesel kann beispielsweise durch Brennstoffzellen-Arrays ersetzt werden. Der Anteil der benötigten Leistungselektronik wird
in beiden Fällen stark steigen.

Erneuerbare Energien und Netzdienste

Rechenzentren direkt lokal aus er­­neuerbaren Energien zu versorgen, erscheint momentan wirtschaftlich und ausfallsicher noch nicht sinnvoll. Zu teuer und zu hoch sind noch die Schwankungen regenerativer Quellen. Dennoch können in Rechenzentren installierte Stromversorgungsysteme auf verschiedenste Weise das öffentliche Stromnetz unterstützen, gerade wenn es um den Ausgleich von natürlichen Schwankungen durch regenerative Energien geht. Mit den redundanten Anlagen und USV-Systemen stehen leistungsstarke Energiepuffer zur Verfügung, die bei Bedarf gegen Entgelt einspringen könnten. Diese Zweitnutzung der unternehmensinternen Stromversorgung sollte bereits bei der Planung berücksichtigt werden, zum Beispiel bei der Auslegung der Batterieautonomiezeit und den maximalen Batteriezyklen. Abhängig von der installierten Batteriekapazität, kann die für das öffentliche Stromnetz zur Verfügung stehende Leistung geplant werden und damit als primäre Regelreserve das Netz unterstützen.

Die Zukunft ist verteilt

Mit den Fortschritten der Leistungselektronik gehen Kosten und Größe der Leistungswandler seit Jahren stetig und in großen Schritten zurück, pa­rallel dazu steigt deren Wirkungsgrad. Es ist davon auszugehen, dass dieser Trend anhält – und damit eine völlig neue, auf verteilten Wandlern basierende, Architektur möglich macht. Die Effizienz wird eine der wichtigsten Triebfedern bleiben, die Kosten für die Energieverluste und die Wärmeabfuhr müssen weiter minimiert werden. Schließlich werden die sinkenden Verluste für eine noch höhere Leistungsdichte unter dem vorhandenen und mit einem sogar verbesserten thermischen Management sorgen.

Moderne Leistungselektronik ist damit die treibende Kraft für die Verbesserung der Energieinfrastruktur von Rechenzentren. Der anhaltende Trend zur Modularisierung ermöglicht es, zukünftige Designs auf Standardbausteinen zu entwickeln. Mit immer
kleineren Umrichter-Arrays können verteilte Systemarchitekturen umgesetzt werden, die Erneuerung eines einzelnen Wandlers ist dann ein Kinderspiel und bedingt nicht mehr den Ersatz des ganzen Systems. Zusammen mit der Modularisierung werden die dezentralen Strukturen die Entwicklung wartungsfreier Lösungen mit einer Einsatzdauer von 20 Jahren und mehr ermöglichen. Wide-Band-Gap-Bauelemente auf der Basis von SiC (Siliziumkarbid) oder GaN (Gallium­­-
nitrid) sowie fortschrittliche Wandlergehäuse- und Integrationstechnologien werden Innovationen hervorbringen und die moderne Stromversorgung für Rechenzentren vorantreiben. UH

Der Autor

Huawei Rechenzentren
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Roland Hümpfner leitet seit 2011 des Energy Competence Center Europe von Huawei Technologies in Nürnberg und ist für die technologische Entwicklung von effizienten Energielösungen mit hoher Leistungsdichte verantwortlich. Der studierte Elektrotechniker war zuvor für Siemens und Chloride tätig.

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