Anwendungen Künstlicher Intelligenz (KI) werden massenhaft genutzt und bislang ist kein Ende dieses Trends abzusehen. Hoch-performante Rechenzentren, sogenannte AI-Data-Centers kurz (AI-DC), sind notwendig, um bei diesem weltweiten Trend Schritt zu halten und wirtschaftlich kompetitiv zu bleiben. Der Ausbau elektrischer Netze für diese Rechenzentren ist jedoch teuer, die Anforderungen an Netzstabilität und Resilienz wachsen, nicht zuletzt, weil sich die Lastprofile während des Trainings auf der einen und der Inferenz, also der Anwendung trainierter Modelle, auf der anderen Seite stark voneinander unterscheiden.
„Diese Unterschiede erfordern eine Analyse des Energie- und Leistungsbedarfs im transienten Energiebezug, um dann Mechanismen anzuwenden, mit denen man Lastspitzen effizient ausgleichen kann“, erklärt Damian Dudek, Geschäftsführer der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (VDE ITG) und Mitautor einer aktuellen Kurzinformation zum Thema.
Die Kurzinformation, welche die VDE ITG gemeinsam mit der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (VDE ETG) herausgibt, schildert konkrete Lösungen, um Schwankungen im Energiebezug zu managen. „Herkömmliche Energieverteilungssysteme, basierend auf 48V Spannung, stoßen bei den hohen Leistungsstufen moderner AI-DC-Racks an ihre Grenzen erklärt Prof. Dr.-Ing. Gerd Griepentrog vom Fachgebiet für Leistungselektronik und Antriebsregelung an der TU Darmstadt, einer der Mitautoren. „Der Wechsel zu einer 800V-Gleichstromverteilung reduziert Leistungsverluste und den Kupferbedarf deutlich.“ Ein zentraler Baustein sind dabei DC/DC-Wandler, welche die Spannung von 800V auf 48V heruntersetzen und so die Kompatibilität mit bestehenden Systemen gewährleisten. „Aktuell erreichen diese Wandler einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent und liefern eine präzise 48V-Ausgangsspannung“, so Griepentrog weiter. „In der Forschung arbeitet man daran, die Anzahl der Wandlungsstufen zu reduzieren, um die Effizienz weiter zu steigern.“
Für die Kompensation von Lastspitzen schlagen ITG und ETG zudem eine mehrstufige Speicherarchitektur vor, um auf unterschiedlichen Zeitskalen flexibel reagieren zu können. Zahlreiche Rechenzentrumsbetreiber setzen bereits auf diese mehrstufige Architektur, die Batteriespeicher mit USV-Systemen kombiniert. „Die konkrete Auslegung hängt dabei von Standort, Nutzungsanforderung bei Training beziehungsweise Inferenz sowie den Vorgaben der Netzbetreiber ab“, sagt Dudek.
Standardisierung als Schlüssel für mehr Effizienz
„Der Netzanschluss dieser Rechenzentren ist durch die regulatorischen Gegebenheiten und die Verfügbarkeit von elektrischer Energie und Netzanschlusskapazitäten, gerade in Ballungsräumen, eine wesentliche Herausforderung“, fasst Prof. Dr. Andreas Ulbig, Professor für Aktive Energieverteilnetze am IAEW der RWTH Aachen und am Fraunhofer FIT Zentrum Digitale Energie, Mitglied des Vorstands der VDE ETG und ebenfalls Mitautor des Papiers, zusammen.
Einen Schlüssel für mehr Effizienz sehen die Autoren dabei in der Standardisierung. Bislang nutzt man in AI-DC unterschiedliche Spannungsebenen. „Hier wäre ein Standardisierungsprozess hilfreich, etwa um Baugrößen von Kompensationsvorrichtungen optimal auslegen zu können, den Markt für diese Technologien zu öffnen und die Integration erneuerbarer Energien zu beschleunigen“, sagt VDE ITG Geschäftsführer Damian Dudek.