30 Prozent weniger Wandlungsverluste pro Prozessor Vicor ermöglicht Effizienzsprung bei der Wandlung von 48 VDC auf Prozessorspannung

Claudio Tuozzolo, Picor: »Die direkte Wandlung der 48 V auf 1 V ist der Schlüssel zu heute geforderten Rackleistungen von 20 kW und mehr.«
Claudio Tuozzolo, Picor: »Die direkte Wandlung der 48 V auf 1 V ist der Schlüssel zu heute geforderten Rackleistungen von 20 kW und mehr.«

Die neue Wandler-Architur von Vicor stetzt 48 VDC direkt auf die vom Prozessor benötigte Spannung um und steigert damit den Wirkungsgrad auf dem Board um 5 Prozent. Ein Datacenter mit 30.000 Prozessoren spart damit Energiekosten in Höhe von 500.000 Dollar pro Jahr.

IBMs Superrechner »Blue Gene/Q« benötigt pro Rack 80 kW Leistung. In den Datacentern von Amazon, Cisco, HP oder Google liegt der Leistungsbedarf derzeit bei über 10 kW pro Rack, der Trend geht aber zu mehr als 20 kW pro Rack. Mit dem Übergang von 10 auf über 20 kW kommt die klassische Intermediate-Bus-Architektur der Stromversorgung an Ihr Ende, welche die 48 V Eingangsspannung zuerst auf die Zwischenspannung vo 12 V umgesetzt hat.

»Auf der Techno-Frontier Conference in Tokyo haben wir die erste Factorized Power Solution vorgestellt, die Intels x86 VR 12.0 Spezifizierungen zur Spannungsregulierung entspricht«, erläutert Claudio Tuozzolo, President der Vicor-Tochter Picor. »Bislang hatten wir diese Wandler-Architektur nur an die Bedürfnisse der im »Blue Gene/Q« verwendeten Power7-Prozessoren von IBM angepasst«. Das System von Vicor wandelt die 48 V Eingangsspannung aber nicht nur direkt auf dem Board in die von den Mikroprozessoren benötigte Versorgungsspannung von 1 V, sie erhöht auch die Systemeffizienz auf dem Board um 5 Prozent, weil die 12-V-Zwischenspannung entfällt.

»Das bedeutet, dass die Leistungsverluste pro Prozessor um 30 Prozent, oder 10 W, reduziert werden«, rechnet Tuozzolo vor, »bei einer Serverfarm mit 30.000 Prozessoren schlägt sich das alleine auf Seiten der Stromkosten in jährlichen Einsparungen von über 500.000 Dollar nieder«. Vicor offeriert diese Effizienzsteigerung zudem in einer Package-Lösung, deren Platzbedarf dreimal geringer ist, als der herkömmlicher Lösungen. Für Betreiber von Datacentern bringt die 48-zu-1-V-Wandlung aber nicht nur reduzierte Stromkosten mit sich, der gesamte Energiebedarf ihrer Anlage reduziert sich, was auch für die Senkung der CO2-Emissionen gilt.

Der rapide Anstieg des Leistungsbedarfs in Rechencentern ist vor allem auf das »Triple Play«, zurückzuführen, die steigende Anzahl von Sprachnachrichten in Verbindung mit der steigenden Nutzung von Internet- und Videoangeboten über Smart Phones und Tablet-Computer. Leistungsstarke Dienste, wie etwa Siri von Apple, erfordern leistungsfähige Datacenter als Backbone. Im Zuge des Übergangs von der klassischen Sprach-Telekommunikation zu einer immer komplexeren Datakommunikation wurden die kleinen 30-WASICs auf den Telekom-Racks Schritt für Schritt von Intel x86-Prozessoren wie Sandy Bridge oder Ivy Bridge, mit Leistungen von 130 W ersetzt.

Doch Vicor konzentriert sich bei der Vorstellung neuer Lösungen nicht nur auf Supercomputer und ähnliche Lösungen. Mit der PI33XX Cool-Power ZVS Buck Regulator Serie stellt das Unternehmen zeitgleich eine Lösung vor, die Zero-Voltage Switching Technologie (ZVS)  in Point-of-Load-Wandlerlösungen integriert. Die Hochleistungs-DC/DC-Wandler ermöglichen einen bislang einmaligen Spitzenwirkungsgrad von 98,3 Prozent. Eingangsspannungen von 8 bis 36 V werden auf Ausgangsspannungen von 1 bis 16 V gewandelt. Dabei liefern die Point-of-Load-Wandler Ausgangsströme bis 10 A, mit Leistungen bis 120 W.

Durch den Einsatz der ZVS Topologie ist ein Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen möglich. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad durch die Minimierung der Schaltverluste verbessert, die bei konventionellen Abwärtswandlern mit hartschaltenden Topologien auftreten. Durch die hohe Taktfrequenz ist auch eine Verkleinerung der externen Filterkomponenten möglich. Neben einer weiteren Erhöhung der Leistungsdichte verbessert sich dadurch auch die Reaktion auf schnelle Veränderungen bei Versorgungsspannung oder Last. Eine minimale Einschaltzeit von 20 ns ermöglicht eine große Herabsetzung der Spannung selbst bei einer Eingangsspannung von 36 V.

»Die Integration einer weich schaltenden ZVS Topologie in einem Point of Load Wandler definiert einen neuen Performancestandard in der Industrie«, versichert Tuozzolo, »in Verbindung mit unserem breiten Portfolio von Powerlösungen auf Leiterkartenebene ermöglichen sie es dem Entwickler, einen optimalen Wirkungsgrad im kompletten Stromversorgungspfad bis herab zur Last zu realisieren.«

Für Entwickler komplexer Stromverteilungssysteme bieten die Picor Abwärtswandler der PI33XX Coo-Power ZVS-Serie zudem als einzige in dieser in dieser Klasse die Möglichkeit eine optionale erweiterbare I2C Fehlererkennung für die Detektierung von sechs unterschiedlichen Fehlerzuständen. Zusätzliche programmierbare I2C Eigenschaften beinhalten Grenzwerteinstellung, logische Polarität des Enable Signals und Phasenverzögerung.

Der Einstiegs Vicors in den Point-of-Load-Markt, illustriert die sich verändernde Marktausrichtung des Unternehmens. Lange Zeit erzielte Vicor einen nicht unerheblichen Teil seines Umsatzes mit Power-Lösungen für den Militärbereich. Die Budgetkürzungen der letzten Zeit, trugen nun mit dazu bei, dass sich Vicor nun verstärkt auf High-Performance-Anwendungen im Bereich Tele- und Datenkommunikation, Industrie konzentriert, und sich auch Zukunftsmärkten wie dem E-Mobility-Bereich zuwendet.