Der Energieverbrauch von Rechenzentren steigt jährlich um 16 %. Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach Cloud Computing, sozialen Medien, Multimedia und anderen IT-Dienstleistungen müssen Behörden und Unternehmen jährlich rund 8 Milliarden US-Dollar für Strom und Kühlung ihrer Rechenzentren aufwenden. Serversysteme und Kühlung machen den Großteil dieses Energieverbrauchs aus.
Herkömmliche Serverarchitekturen stoßen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz an ihre technologischen Grenzen. Strategien zur Effizienzsteigerung erfordern zwar unter Umständen eine Neugestaltung der gesamten Stromversorgungsinfrastruktur des Rechenzentrums, um den Energieverbrauch zu senken, doch diese Lösung ist extrem kostspielig. Die Neugestaltung des Rechenzentrumsgebäudes und der Infrastruktur kann leicht mehrere zehn Millionen Dollar kosten.
Unternehmen wie IDT haben das Problem angegangen, indem sie sich auf die Gesamtenergieeffizienz des Serversystems konzentrierten, ohne die Rechenzentrumsinfrastruktur oder das Gebäude wesentlich zu verändern. Die hocheffiziente Stromversorgungsarchitektur von IDT für Server, bekannt als coolRAC (RAC steht für Resonant AC), ist eine praktikable Lösung, die erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht.
Die Gesamteffizienz eines Servers wird vom Wechselstromeingang bis zu den Prozessoren auf dem Motherboard und im gesamten Rack gemessen. Serverplattformarchitekturen weisen typischerweise einen Gesamtenergieumwandlungswirkungsgrad von 80 % auf und verwenden häufig teure Komponenten. Das bedeutet vereinfacht gesagt, dass etwa 20 % der verbrauchten Energie als Wärme verloren gehen. Mit Lösungen wie coolRAC von IDT kann diese Umwandlung verbessert werden, um Wirkungsgrade von über 90 % zu erreichen und so Energieverluste und den damit verbundenen Kühlbedarf zu reduzieren. Da coolRAC die bestehende elektrische Infrastruktur von Rechenzentren nutzt, kann diese Technologie problemlos in bestehende Rechenzentren nachgerüstet werden, ohne dass kostspielige Gebäudeerweiterungen erforderlich sind.
Rack-Server mit mehreren Prozessoren und minimalen Ausfallzeiten verbrauchen typischerweise über 70 % der Energie eines Rechenzentrums. Beispielsweise kann ein großes Rechenzentrum mit 50.000 Servern mehr als 12 MW Strom verbrauchen. Durch die Verbesserung der Servereffizienz mit der coolRAC-Technologie von IDT lassen sich direkte Energieeinsparungen von über 1 MW erzielen. Basierend auf einer konservativen Schätzung von 0,10 $ pro kWh entspricht dies einer jährlichen direkten Einsparung von über 800.000 $ an Energiekosten. Darüber hinaus trägt sie zu einem erhöhten Durchsatz im Rechenzentrum bei. Die coolRAC-Technologie nutzt einen Standard-Eingangsstrom (220/480 V Drehstrom) und eine Hochfrequenz-Wechselstromverteilung (HF).
CoolRAC-Konzept mit Hochfrequenz-Wechselstromverteilung:
Um die Gesamtsystemeffizienz maximal zu steigern, muss zunächst der Wirkungsgrad der Point-of-Load-Wandler (POL-Wandler) optimiert werden. In aktuellen Architekturen haben sich Abwärtswandler als einfachste, effizienteste und kostengünstigste POL-Wandlertopologie erwiesen. Moderne digitale integrierte Schaltungen erfordern jedoch, dass der POL-Wandler einen Gleichstrom mit einer Ausgangsspannung von ca. 1 V liefert. Folglich weist ein Abwärtswandler mit einer Eingangsspannung von 12 V DC zwar ein hohes Umwandlungsverhältnis auf, kann aber bei einer Ausgangsspannung von 1 V DC keinen hohen Wirkungsgrad erzielen. Die Bedeutung der Verbesserung des POL-Wirkungsgrads wird in den Tabellen 1 und 2 durch den Vergleich des Wirkungsgrads und der Leistungsverluste verschiedener Architekturen in spezifischen Stufen verdeutlicht.
Um den Umwandlungsgrad zu senken und die POL-Effizienz zu erhöhen, muss die Eingangsspannung am Lastpunkt verringert werden. Abbildung 1 zeigt eine deutliche Steigerung der POL-Effizienz, die sich allein durch die schrittweise Reduzierung der Eingangsspannung von 12 V auf 5 V erzielen lässt.
Die Effizienz ließe sich durch den Einsatz von Siliziumschaltern mit niedrigerer Nennspannung weiter steigern. Bauelemente mit niedrigeren Spannungen würden bei vergleichbaren Kosten sogar höhere Wirkungsgrade als die in Abbildung 1 dargestellten erreichen. Dies liegt am geringeren Preis pro Siliziumfläche bzw. am reduzierten Drain-Source-Widerstand (Rdson) pro Siliziumfläche. Je nach Anwendung kann ein Kunde zudem die Siliziumkosten senken, wenn ein hoher Wirkungsgrad nicht entscheidend ist, und dennoch die Effizienz im Vergleich zu einem 12-V-Eingangsbus deutlich verbessern.
Angesichts des Branchentrends zur Reduzierung der Eingangsspannungen in modernen digitalen integrierten Schaltungen wie CPUs, GPUs, ASICs und Speichern ist die Reduzierung der Eingangsspannung am Lastpunkt zu einem Hauptanliegen hocheffizienter POL-Wandler geworden. Für heutige industrielle Anwendungen scheint eine POL-Eingangsspannung von 5 VDC die optimale Lösung für Serversysteme zu sein. Diese niedrige Eingangsspannung reduziert den Wirkungsgrad der Spannungswandlung deutlich und erhöht die Energieeffizienz. Zudem sind Leistungskomponenten mit einer Nennspannung von 5 V problemlos im Handel erhältlich. Der in Abbildung 1 dargestellte Spitzenwirkungsgrad von 96 % für einen 5-VDC-auf-1,2-VDC-Abwärtswandler wurde mit Siliziumschaltern mit einer Nennspannung von 30 V erreicht und ließe sich mit Bauteilen mit einer Nennspannung von 12 V sogar noch weiter steigern.
Die Versorgung der Lastpunkte mit niedrigeren Spannungen führt jedoch zu höheren Verlusten in der Verteilungsinfrastruktur, wodurch ein 5-VDC-Verteilungssystem in den meisten Fällen unpraktisch wird. Um in einer herkömmlichen 12-VDC-Verteilungsarchitektur für High-End-Serversysteme einen moderaten Leistungsverlust von 2 % zu erreichen, sind aufwendige Backplane-Platinen mit Steckverbindern, Leiterplatten und teuren Stromschienen erforderlich. Eine Änderung der Verteilungsspannung auf 5 V würde die Leistungsverluste um mehr als das Fünffache erhöhen.
Die coolRAC-Technologie von IDT liefert eine niedrige Spannung an den Verbraucher mit maximaler Energieeffizienz; dadurch wird der grundlegende Konflikt zwischen maximaler Effizienz des POL-Umrichters (der eine Niederspannungsverteilung erfordert) und minimalen Verlusten im Stromverteilungssystem (das eine Hochspannungsverteilung erfordert) gelöst.
Abbildung 2 vergleicht die gängigste 12-VDC-Verteilungsarchitektur mit der coolRAC-Lösung von IDT. Sie zeigt ein redundantes System mit N Front-End-Netzteilen, die K Prozessoreinheiten versorgen.
Beide Architekturen bestehen aus der gleichen Anzahl von Leistungswandlungsstufen. Durch einfaches Verschieben der Synchrongleichrichter (SRs) von den Netzteilen auf die Motherboards lässt sich eine ausreichend hohe Verteilungsspannung (z. B. 50 V Spitze-Spitze) erzielen. Dies minimiert die Verluste im Verteilungsmedium. Die durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators definierte Wechselspannung ist hochflexibel und ermöglicht so eine optimale und skalierbare Lösung für Serversysteme mit unterschiedlichem Leistungsbedarf.
Offensichtlich stellt die redundante AC-AF-Verteilungsarchitektur Entwickler vor größere Herausforderungen als herkömmliche DC-Verteilungssysteme, beispielsweise hinsichtlich der Generatorsynchronisation und der Stromverteilung, die für Funktionen wie die redundante, im laufenden Betrieb austauschbare Stromversorgung erforderlich ist. Dies ist der Hauptgrund, warum sich das AC-AF-Verteilungskonzept am Markt noch nicht flächendeckend durchgesetzt hat.
Die Vorteile der AF-Wechselstromverteilungstopologie sind Experten seit vielen Jahren bekannt, ihre Implementierung erwies sich jedoch aufgrund der Herausforderungen bei der Parallelschaltung mehrerer Wechselstromgeneratoren und der Entwicklung eines effizienten und zuverlässigen Regelalgorithmus für Synchrongleichrichter als unpraktisch. Jüngste Fortschritte in der Analog-Digital-Wandlung und der digitalen Regelungstechnik haben diese Topologie jedoch zu einer attraktiven Option auf dem Markt gemacht.
Aufgrund der grundlegenden Unterschiede zwischen Wechsel- und Gleichstrom bietet die Wechselstrom-AF-Verteilung im Vergleich zur Gleichstromverteilung den zusätzlichen Vorteil, dass neben Wirkleistungskomponenten auch Blindleistungskomponenten zur Regelung genutzt werden können. Durch den Einsatz von Resonanztopologien in der beschriebenen coolRAC-Architektur lassen sich Hot-Plug- und Redundanzfunktionen ohne OR- oder Einschaltstrombegrenzungsschaltungen realisieren.
Selbstverständlich waren all diese Vorteile nur möglich, nachdem neue digitale und analoge Steuerungsalgorithmen entwickelt und in neue integrierte Steuerschaltungen implementiert wurden, um diese neue AF-Wechselstromverteilungsarchitektur zu einem praktikablen und kosteneffektiven System zu machen.
Fazit:
Der Strombedarf von Rechenzentren steigt kontinuierlich, um der wachsenden Nachfrage nach Rechenkapazität gerecht zu werden. Da Server den Großteil des Stroms in einem Rechenzentrum verbrauchen, hätte eine Steigerung der Servereffizienz die größten Auswirkungen auf die Energieeinsparung, die Reduzierung des Kühlbedarfs und die Kostensenkung.
Die coolRAC-Zwischenbusarchitektur von IDT ist ein Beispiel für eine Server-Stromversorgungslösung, die die Effizienz steigert, Wärmeverluste reduziert und somit den Energieverbrauch senkt, ohne dass größere Änderungen am Rechenzentrumsdesign erforderlich sind. Weitere Verbesserungen an Siliziumbauelementen, wie beispielsweise 12-V-MOSFETs für POL-Wandler, werden eine noch höhere Gesamtsystemeffizienz ermöglichen.
Weltweit werden jährlich über acht Millionen Server installiert, und der jährliche Gesamtenergieverbrauch von Serversystemen wird auf über 60 Milliarden Kilowatt geschätzt. Da Rechenzentrumsleiter sich zunehmend der wachsenden Anforderungen und Kosten ihrer Unternehmen bewusst werden, wird der Energieverbrauch von Servern zu einem Schlüsselfaktor bei der Auswahl des effizientesten und kostengünstigsten Systems.
