Effiziente OCP-Server: Mit 48 Volt bis zum Prozessor

Im vergangenen Jahr ist Google dem Open Compute Project (OCP) beigetreten und hat eine Spezifikation für den Open Rack Standard V2.0 eingebracht, nämlich zur Versorgung der einzelnen Server mit +48 Volt Gleichspannung statt mit -48 ,12 , 230, 277 oder 400 Volt. Googles 48V-Technik soll die Effizienz der Stromversorgung steigern – unter anderem dadurch, dass die übliche 12-Volt-Wandlung zur Versorgung der Server-Mainboards entfällt. Stattdessen werden die 48 Volt erst dicht an der jeweiligen Last von sogenannten Point-of-Load-(PoL-)Wandlern auf die dort nötige Spannung umgesetzt. Bei modernen Prozessoren und Grafikchips sind das etwa 0,9 bis 1,2 Volt, DDR4-SDRAM braucht ebenfalls 1,2 Volt.

PoL-Module, die 1,2 Volt mit bis zu 200 Watt – also in der Spitze fast 200 Ampere – aus 48 Volt erzeugen können, haben beispielsweise die Firmen Maxim, ST Microelectronics und Vicor im Programm.

Laut Google lässt sich die Effizienz mit der 48V-Technik im Vergleich zur Speisung mit 230 Volt Wechselspannung um fast 3 Prozentpunkte steigern, nämlich von 89,3 auf 92,1 Prozent. Außerdem gibt es Vorteile beim Materialaufwand, denn 48-Volt-Leitungen und -Leiterbahnen können für die gleiche Leistung schlanker ausfallen als bei 12 Volt, weil schwächerer Strom genügt. Vicor nennt außerdem weniger elektromagnetische Störungen durch den Spannungswandler auf dem Mainboard als Vorteil.

Wandlervermeidung

Gewöhnliche Server haben eines oder mehrere redundante Netzteile, die 230 Volt Wechselspannung in 12 Volt Gleichspannung wandeln. Auf dem Mainboard sitzen dann weitere Spannungswandler, die 12 Volt wiederum in die Betriebsspannungen von Prozessoren, Chipsatz, DRAM, GPU, PCIe-Karten, Netzwerkchips, Fernwartungschips und anderen Komponenten verwandeln.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Effizienz dieser Mehrfachwandlung zu steigern: Etwa die aus Telco-Servern bekannte Speisung mit -48 Volt direkt aus Batterien, die statt einer 230-Volt-USV Stromausfälle überbrücken. Oder die Verteilung von 400 Volt Gleichspannung bis zu den Servern, in denen dann 400-Volt-Netzteile stecken. Im ersten OCP-Anlauf hatte Facebook auch eine 277-Volt-Versorgung verwendet.

Es gibt auch Mischformen, die wiederum etwa Facebook nutzt: Hier sitzen in jedem Rack nur wenige redundante Netzteile, die Stromschienen mit 12 Volt speisen; die einzelnen Server haben dabei keine eigenen Netzteile, sondern hängen direkt an den 12-Volt-Schienen. So sind die Netzteile besser ausgelastet und man braucht weniger davon.

Dabei gibt es auch keine zentrale USV mehr, sondern schlankere USVs stehen zwischen den Racks. In Googles 48V-Technik sind die 48-Volt-USVs jeweils im Rack integriert; für riesige Hyperscale-Rechenzentren hat das den Vorteil, dass der Betreiber keine zentrale USV einrichten und bezahlen muss, sondern die modulare USV mit der Zahl der Racks mitwächst.

Paolo Sandri von ST stellt Neuerungen der 48V-PoL-Technik am heutigen Mittwoch auf dem OCP Summit 2017 in Santa Clara vor. (ciw)