Die Notwendigkeit, riesige Datenmengen zu verarbeiten, ist für den Alltag der Menschen und die Geschäftstätigkeit von entscheidender Bedeutung. KI/ML, E-Commerce, Navigation und andere moderne Technologien sind auf die Rechenleistung von Rechenzentren angewiesen. Wir betrachten Rechenleistung oft als Ausgabeleistung, also die Quantität der Prozesse, die in einer bestimmten Zeit abgeschlossen werden. Genauso wichtig sind allerdings die Eingaben. Für maximale Leistung ist eine ausreichende Spannungsversorgung unverzichtbar. Dieser Artikel von Bel untersucht die Vorteile von Titanium-Spannungsversorgungen für Rechenzentren.
Die größten aktuellen Technologietrends haben eines gemeinsam: Sie alle erfordern enorme Rechenleistung. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (KI/ML) benötigen zur Ausführung bestimmter Algorithmen enorme Rechenleistung. Deshalb kommen häufig Supercomputer zum Einsatz. Außerdem erfordert KI/ML oft enorme Datenmengen, um die Algorithmen richtig zu trainieren. Wie beim Cloud Computing sind zum Speichern und Verarbeiten dieser Informationen Rechenzentren voller Server, Router und Switches erforderlich, die allesamt große Mengen Strom verbrauchen.
Effizienz wird im Hochleistungsrechnen immer wichtiger
Diese neue Computergeneration stellt hohe Anforderungen an die Komponenten und Systeme, die zum Betrieb dieser Maschinen erforderlich sind. Die Spannungsversorgung ist für all diese Computeranwendungen von größter Bedeutung. Es reicht nicht mehr aus, „nur“ Strom bereitzustellen. Thermische Einschränkungen müssen eingehalten, eine höhere Energieeffizienz erreicht, Redundanz eingerichtet und eine hohe Zuverlässigkeit gefordert werden.
Jedes gut konzipierte Computersystem berücksichtigt alle diese Faktoren. Inzwischen gelten für einige dieser Anforderungen Regulierungen und Zertifizierungen, sodass die bestimmte Kriterien erfüllenden Spannungsversorgungen einfacher identifiziert werden können.
Ein solches Beispiel ist 80 PLUS. Dieser Standard definiert strikte Anforderungen für Spannungsversorgungen, um deren Energieeffizienz sicherzustellen. Gemäß Spezifikation müssen die Spannungsversorgungen auf verschiedenen Laststufen – 20 %, 50 % und 100 % – eine Energieeffizienz von mindestens 80 % aufweisen. Um sich beispielsweise für die grundlegende 80 PLUS-Zertifizierung zu qualifizieren, muss ein Netzteil bei den angegebenen Lasten einen Wirkungsgrad von 80 % aufweisen. Für höhere Zertifizierungen wie Bronze, Silber, Gold, Platin und Titan werden die Standards zunehmend strenger.
Was ist das 80 PLUS-Programm?
Das 80 PLUS-Programm ist ein Zertifizierungsprogramm, das Anfang der 2000er Jahre eingeführt wurde. Es wurde zuerst von Ecos Consulting zusammengestellt, wird jetzt aber von CLEARResult betrieben. Es handelt sich dabei um ein freiwilliges Programm, das Herstellern hilft, energieeffiziente Designs für den Einsatz in Computern zu fördern. Um die 80-Plus-Zertifizierung zu erhalten, müssen Netzteile bei 20 %, 50 % und 100 % der Nennlast mindestens 80 % effizient sein und bei 100 % Last einen Leistungsfaktor von 0,9 oder mehr erreichen.
Aber was genau bedeuten die Begriffe Wirkungsgrad und Leistungsfaktor?
Berechnen des Wirkungsgrads von Spannungsversorgungen
Der Wirkungsgrad ist wahrscheinlich der bekanntere dieser Begriffe. Einfach gefasst, bezeichnet der Wirkungsgrad einer Spannungsversorgung das Verhältnis der Ausgabeleistung zur Gesamteingangsleistung, ausgedrückt als Prozentsatz.
Wirkungsgrad [%] = x 100
Gleichung 1
Aufgrund der nicht idealen Effekte der in Netzteilen verwendeten elektronischen Komponenten ist eine Effizienz von 100 % nicht möglich. Diese Effekte können Schalt- und Leitungsverluste in aktiven Komponenten wie Transistoren und Gleichrichtern, Widerstandsverluste in Drähten, Wicklungen und Leiterbahnen sowie Wechselstromverluste im Transformator sein. Die in diesen Komponenten nicht genutzte Energie wird normalerweise in Form von Wärme abgeführt, die weitere Probleme verursachen kann.
Berechnung des Leistungsfaktors
Der Leistungsfaktor ist etwas komplexer. Es handelt sich um das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung und hat den Maximalwert eins. Die Wirkleistung wird in Watt gemessen und bezeichnet die für Arbeit genutzte Leistung, die von Spannungsversorgung und Last verbraucht wird. 90 Grad phasenverschoben zur Wirkleistung ist Blindleistung, gemessen in Voltampere Blindleistung (VAR). Blindstrom zirkuliert einfach im System und verrichtet keine Arbeit. Die Scheinleistung bezeichnet die Größe der Vektorsumme aus Wirk- und Scheinleistung und ist gleich dem Produkt aus Effektivspannung und Strom.
Abbildung 1. Leistungsdreieck mit Wirk- und Blindkomponenten und daraus resultierendem Scheinleistungsvektor.
Leistungsfaktor =
Gleichung 2
In einem rein resistiven Stromkreis beträgt der Leistungsfaktor 1 und die gesamte Scheinleistung erzeugt Arbeit. Treten jedoch Blindkomponenten wie Induktoren und Kondensatoren in Schaltkreisen und Lasten auf, verschiebt sich die Stromwellenform nach Maßgabe der Spannung, und der Leistungsfaktor sinkt aufgrund der hinzugefügten Blindleistung. In nichtlinearen Schaltkreisen, wie zum Beispiel Schaltnetzteilen, muss man auch auf Oberwellen achten. Harmonischer Strom ist reaktiv und senkt daher auch den Leistungsfaktor.
Ein niedriger Leistungsfaktor hat einen erhöhten Eingangsstrom zur Folge. Dies führt zu größeren und teureren Kabel- und Verteilungsnetzen, einer verringerten Kapazität der Zweigstromkreise und höheren Kosten.
Es gibt viele Gründe für Designer, sich für eine zertifizierte 80 Plus-Spannungsversorgung anstelle einer nicht zertifizierten Spannungsversorgung zu entscheiden. Ein wichtiger Grund sind die Kosten. Eine effizientere Stromversorgung führt zu weniger Energieverschwendung. Dies bedeutet, dass Spannungsversorgungen mit höherem Wirkungsgrad die Betriebskosten größerer Anlagen senken. Leistungsverluste werden normalerweise als Wärme abgegeben. Das macht häufig Kühlsysteme erforderlich, die nicht nur zusätzliche Kosten verursachen, sondern auch wertvollen Platz beanspruchen und unnötigen Lärm verursachen. Weniger Wärme und weniger (oder keine) laufende Lüfter tragen ebenfalls dazu bei, die Lebensdauer eines Produkts und die Gesamtzuverlässigkeit eines Systems zu verlängern.
80 PLUS Effizienzstufen
Wie der Name andeutet, war es bei Einführung der 80 Plus-Zertifizierung lediglich erforderlich, dass Spannungsversorgungen bei einer Last von 20 %, 50 % und 100 % Last einen Wirkungsgrad von 80 % aufweisen. Dieser Wirkungsgrad wird heute als 80 Plus Basic bezeichnet. Seit Einführung des Programms wurden fünf weitere Zertifizierungsstufen hinzugefügt. Das 80-Plus-Programm besteht jetzt aus den folgenden Zertifizierungsstufen:
Abbildung 2: Aktuelle 80-Plus-Stufen.
Jede dieser Zertifizierungen ist basierend auf der AC-Eingangsspannung weiter in Unterkategorien unterteilt. Dies hilft den Herstellern, unterschiedliche Regionen der Welt anzusprechen. Diese Unterkategorien umfassen 115 V intern nicht redundant, 230 V intern redundant, 115 V Industrie, 230 V EU intern nicht redundant und 380 V DC.
Die verschiedenen Zertifizierungsstufen sowie drei der unterschiedlichen Unterkategorien sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Erwähnenswert ist auch, dass die höchste Zertifizierungsstufe, 80 Plus Titanium, eine zusätzliche Nennlast von 10 % mit sich brachte.
Netzteile sind im Allgemeinen zwischen 50 % und 75 % ihrer Nennlast am effizientesten. Bei geringeren Lasten kann der Wirkungsgrad der Spannungsversorgung erheblich abfallen. Tatsächlich kann jede gemäß 80 Plus zertifizierte Spannungsversorgung bei einer Last unter 20 % auf einen Wirkungsgrad unter 80 % abfallen. Ausgenommen sind Titanium-zertifizierte Spannungsversorgungen. Allerdings erfordert die Zertifizierungsstufe Titanium, dass alle Netzteile bei 10 % ihrer Nennlast eine Effizienz von mindestens 90 % aufweisen.
| 80 Plus Testtyp |
115 V intern Nicht redundant |
230 V intern redundant |
230 V EU intern Nicht redundant |
|||||||||
| % der Nennlast | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% |
| 80 PLUS | N. A. | 80% | 80% | 80% | - | - | - | - | - | 82% | 85% | 82% |
| 80 PLUS Bronze |
N. A. | 82% | 85% | 82% | - | 81% | 85% | 81% | - | 85% | 88% | 85% |
| 80 PLUS Silber |
N. A. | 85% | 88% | 85% | - | 85% | 89% | 85% | - | 87% | 90% | 87% |
| 80 PLUS Gold |
N. A. | 87% | 90% | 87% | - | 88% | 92% | 88% | - | 90% | 92% | 89% |
| 80 PLUS Platinum |
N. A. | 90% | 92% | 89% | - | 90% | 94% | 91% | - | 92% | 94% | 90% |
| 80 PLUS Titanium |
90% | 92% | 94% | 90% | 90% | 94% | 96% | 91% | 90% | 94% | 96% | 94% |
Tabelle 1: 80 PLUS-Effizienzstufen für interne AC/DC-Netzteile
Bedeutung des hohen Wirkungsgrads
Reduzierter Stromverbrauch – Umweltfreundlichkeit – ist schon an sich ein Vorteil. Die Steigerung des Wirkungsgrads von Spannungsversorgungen ist aber auch aus Kostengründen wichtig. Serverfarmen und Rechenzentren können durch den Einsatz von Spannungsversorgungen mit höherem Wirkungsgrad viel Geld sparen.
Die verschwendete Energie wird mit der folgenden Gleichung berechnet:
Pwaste
Gleichung 3
So verschwendet beispielsweise eine Gold-zertifizierte 1000-W-Spannungsversorgung bei Volllast 87 W Leistung. Dies setzt eine nicht redundante 230-V-Spannungsversorgung mit 92 % Wirkungsgrad voraus. Andererseits würde eine äquivalente 1000-W-Spannungsversorgung mit Titanium-Zertifizierung (96 % Wirkungsgrad) nur 42 W Energie verschwenden, die Verlustleistung also um 52 % reduzieren.
Ein Jahr hat 8.760 Stunden. Läuft die Spannungsversorgung ununterbrochen, berechnet sich der Gesamtenergieverbrauch pro Jahr in kWh wie folgt: (1000 W + 87 W) * (8760 h/Jahr) / (1000 W/kW) = 9522 kWh/Jahr.
Bei einer Spannungsversorgung mit einem Wirkungsgrad von 96 % ergeben sich 9128 kWh. Bei etwa 0,15 USD/kWh wirkt der Unterschied von 394 kWh pro Jahr (etwa 59 USD pro Spannungsversorgung und Jahr) nicht sehr groß. Bedenken Sie aber, dass wir nur über eine Spannungsversorgung sprechen. Rechenzentren und Serverfarmen enthalten Tausende Geräteracks, die jeweils mit mehreren Spannungsversorgungen ausgestattet sind. Die Kosteneinsparungen summieren sich sehr schnell und können leicht Hunderttausende von Dollar erreichen.
Abbildung 3: Vergleich der Verlustleistung von Platinum- und Titanium-Spannungsversorgungen.
Die Zukunft hocheffizienter Spannungsversorgungen
Da Rechenzentren immer größer und die Anwendungen immer anspruchsvoller werden, sind hocheffiziente Spannungsversorgungen wichtiger als je zuvor. Sie tragen nicht nur zur Kosteneinsparung und Zuverlässigkeit bei, sondern machen die Systeme durch die Reduzierung der benötigten Wärme und des Platzbedarfs auch erst möglich. Zu den idealen Lösungen zählen Spannungsversorgungen wie die Titanium-zertifizierten Spannungsversorgungen der Produktreihe Bel Power Solutions.
Abbildung 4: TEC1300-, TET1500- und TET3600-AC-DC-Frontend-Spannungsversorgungen.
Bel Power Solutions bietet 14 Netzteilfamilien und über 30 Produkte an, die alle die Zertifizierungsstufe Titanium 80 Plus erfüllen. Dank der umfassenden Erfahrung im Bereich des Elektronikdesigns kann Bel eine der umfangreichsten Paletten an Titanium-zertifizierten Front-End-Designs anbieten. Wenn etwas anderes benötigt wird, bietet Bel Power Solutions auch die Möglichkeit für kundenspezifische Netzteile. Kunden können individuelle Lösungen entwickeln lassen, die ihren speziellen Anforderungen entsprechen.