De snelle opmars van AI begint niet alleen gevolgen te krijgen voor de hoeveel­heid elektri­ci­teit die datacen­ters nodig hebben. Ook de manier waarop die elektri­ci­teit door het datacenter naar de IT-appara­tuur wordt gebracht, staat ter discussie. Met rackver­mo­gens die steeds verder oplopen, groeit de belang­stel­ling voor een funda­men­teel andere stroom­ar­chi­tec­tuur: distri­butie op 800 volt gelijkstroom.

NVIDIA heeft 800 VDC inmid­dels naar voren geschoven als archi­tec­tuur voor toekom­stige AI-infra­struc­tuur. Het idee daarachter is relatief eenvoudig. In een tradi­ti­o­neel datacenter doorloopt elektri­ci­teit meerdere omzet­tings­stappen voordat de energie uitein­de­lijk bij proces­sors en accele­ra­tors terecht­komt. Bij iedere omzet­ting gaat energie verloren, terwijl conver­ters, trans­for­ma­toren en bekabe­ling boven­dien ruimte innemen.

Een hoogspan­nings-DC-archi­tec­tuur moet die keten korter maken. Daarbij wordt de elektri­ci­teit vanaf de midden­span­nings­aan­slui­ting omgezet naar gelijk­stroom en vervol­gens zoveel mogelijk als DC verder naar de racks gedis­tri­bu­eerd. Dat kan niet alleen conver­sie­ver­liezen beperken, maar door de hogere spanning ook de stroom­sterkte voor hetzelfde vermogen verlagen. Daardoor kan met minder koper zeer veel vermogen naar racks worden getransporteerd.

Dat wordt belang­rijk naarmate AI-racks vermo­gens vragen waarvoor bestaande elektri­sche ontwerpen niet oorspron­ke­lijk zijn ontwik­keld. De discussie over 800 VDC gaat daarmee niet alleen over een paar procent extra effici­ëntie. Het gaat ook om de vraag hoe datacen­ters fysiek honderden kilowatts en uitein­de­lijk mogelijk nog hogere vermo­gens naar afzon­der­lijke racks kunnen brengen.

Solid-state transformator vervangt meerdere stappen

Een belang­rijke bouwsteen in zo’n archi­tec­tuur is de solid-state trans­former, kortweg SST. Anders dan een tradi­ti­o­nele trans­for­mator combi­neert een SST vermo­gens­elek­tro­nica en halfge­lei­ders om spanning actief om te zetten en te regelen. Het doel is om verschil­lende stappen uit de bestaande elektri­ci­teits­keten samen te voegen.

Een voorbeeld daarvan is een systeem dat SolarEdge momen­teel ontwik­kelt. Het bedrijf meldt dat een driefa­sige conver­sie­trap van midden­span­ning naar 800 VDC inmid­dels onder belas­ting in het labora­to­rium draait. Validatie van de volle­dige elektri­ci­teits­keten is nog gaande. De betref­fende producten zijn dan ook nog in ontwik­ke­ling en nog niet algemeen beschikbaar.

In een eerder aange­kon­digd SST-platform wordt midden­span­ning van 13,8 tot 34,5 kV recht­streeks omgezet naar 800 tot 1500 VDC. Daarbij wordt volgens de ontwik­ke­laars een rende­ment van meer dan 99 procent nagestreefd. Door meerdere omzet­tings­fasen in één systeem samen te brengen, kan boven­dien de fysieke omvang van de stroom­in­fra­struc­tuur afnemen.

Daarmee ontstaat in theorie een veel kortere elektri­sche route: van de midden­span­nings­aan­slui­ting via een SST naar een hoogspan­nings-DC-distri­bu­tie­sys­teem en vervol­gens naar de serverracks.

DC beveiligen is een ander verhaal

De techni­sche uitda­ging zit echter niet alleen in het omzetten en distri­bu­eren van het vermogen. Minstens zo belang­rijk is de bevei­li­ging ervan. Een datacenter kan alleen op grote schaal naar 800 VDC overstappen wanneer storingen snel en voorspel­baar kunnen worden gedetec­teerd, geïso­leerd en uitgeschakeld.

Daar ontstaat een wezen­lijk verschil met wissel­stroom. Bij AC passeert de stroom perio­diek een natuur­lijk nulpunt. Dat helpt bij het onder­breken van een stroom­kring. Bij gelijk­stroom ontbreekt zo’n natuur­lijke nuldoor­gang. Het mecha­nisch onder­breken van een krach­tige DC-verbin­ding kan daardoor tot boogvor­ming leiden. Tradi­ti­o­nele elektro­me­cha­ni­sche vermo­gens­scha­ke­laars zijn boven­dien relatief langzaam voor een omgeving waarin enorme hoeveel­heden vermogen op een klein opper­vlak zijn geconcentreerd.

Daarom komt naast de solid-state trans­former een tweede techno­logie nadruk­ke­lijk in beeld: de “solid-state circuit breaker”, of SSCB. Hierbij wordt de stroom niet primair met bewegende mecha­ni­sche contacten onder­broken, maar met vermogenshalfgeleiders.

Een gezamen­lijk ontwik­kelde SSCB-techno­logie van SolarEdge en Infineon gebruikt daarvoor JFET-compo­nenten op basis van silici­um­car­bide (SiC). De bevei­li­ging is ontworpen om een DC-storing binnen enkele micro­se­conden te onder­breken. Het doel is daarbij alleen het getroffen gedeelte van de infra­struc­tuur af te schakelen, zodat de rest van de stroom­voor­zie­ning opera­ti­o­neel kan blijven.

Die snelheid is vooral relevant bij de zeer hoge vermo­gens­dicht­heden van AI-infra­struc­tuur. Hoe groter het beschik­bare vermogen, hoe sneller een elektri­sche fout schade kan veroor­zaken. Bevei­li­ging wordt daardoor een integraal onder­deel van de archi­tec­tuur en niet simpelweg een compo­nent die achteraf aan het ontwerp wordt toegevoegd.

Van één grote beveiligingszone naar meerdere zones

Ook de manier waarop een datacenter elektrisch in bevei­li­gings­zones wordt verdeeld, veran­dert daardoor mogelijk. In een samen met NVIDIA gepubli­ceerd technisch raamwerk voor 800 VDC worden bevei­li­ging en aarding niet als één afzon­der­lijke functie behan­deld, maar als onder­deel van het totale elektri­sche ontwerp.

Het raamwerk beschrijft onder meer verschil­lende aardings­op­ties, criteria voor de impedantie van de aarding en een zonege­ba­seerde aanpak van de bevei­li­ging. Daarbij kan binnen een afgeschermd technisch gedeelte van de instal­latie een andere aanpak worden gekozen dan op plaatsen waar medewer­kers direct met appara­tuur kunnen werken. Bij de rackin­ter­face kan bijvoor­beeld onmid­del­lijke onder­bre­king noodza­ke­lijk zijn.

Belang­rijk is dat hiermee nog geen defini­tieve industrie­stan­daard is vastge­steld. Het raamwerk wordt juist gepre­sen­teerd als techno­logie-neutraal en bedoeld voor verdere beoor­de­ling door opera­tors, leveran­ciers en standaar­di­sa­tie­or­ga­ni­sa­ties. Ook SST’s, solid-state circuit breakers en speci­fieke aardings­me­thoden worden als mogelijke techni­sche oplos­singen beschreven en niet als univer­sele vereisten.

Dat onder­scheid is relevant. De datacen­ter­sector bevindt zich met 800 VDC nog midden in een ontwik­ke­lings- en valida­tie­fase. Techno­lo­gieën die op compo­nent­ni­veau al beschik­baar zijn, moeten nog bewijzen dat zij als complete keten betrouw­baar functi­o­neren in groot­scha­lige datacen­ters. De leveran­ciers wijzen daar zelf eveneens op: ervaring met bijvoor­beeld DC-afscha­ke­ling, boogde­tectie en isola­tie­mo­ni­to­ring in andere toepas­singen geldt niet automa­tisch als validatie voor datacenters.

Stroomvoorziening als onderdeel van de AI-race

Toch is duide­lijk dat de discussie over 800 VDC snel concreter wordt. Waar de aandacht bij AI-datacen­ters aanvan­ke­lijk vooral uitging naar GPU’s, vloei­stof­koe­ling en de beschik­baar­heid van voldoende netca­pa­ci­teit, verschuift een deel van de techni­sche discussie nu naar de complete elektri­ci­teits­keten tussen netaan­slui­ting en processor.

Dat is logisch. Steeds krach­ti­gere AI-systemen hebben weinig aan een aanslui­ting met voldoende megawatts wanneer die energie vervol­gens niet efficiënt, compact en veilig naar racks met extreem hoge vermo­gens­dicht­heden kan worden gebracht.

De combi­natie van solid-state trans­for­mers, hoogspan­nings-DC-distri­butie, silici­um­car­bide vermo­gens­half­ge­lei­ders en ultra­snelle elektro­ni­sche bevei­li­ging laat zien welke kant de techniek daarbij op kan gaan. De volgende stap is vooral validatie: aantonen dat derge­lijke archi­tec­turen niet alleen in labora­toria functi­o­neren, maar ook betrouw­baar kunnen worden gebouwd, onder­houden en bevei­ligd in datacen­ters die 24 uur per dag opera­ti­o­neel moeten blijven.

Daarmee ontwik­kelt 800 VDC zich van een interes­sante ontwerp­keuze tot een mogelijk belang­rijke bouwsteen voor de volgende generatie AI-datacen­ters. De vraag is inmid­dels minder óf de elektri­sche infra­struc­tuur moet veran­deren om de stijgende rackver­mo­gens bij te houden, maar vooral welke DC-archi­tec­turen en bevei­li­gings­con­cepten uitein­de­lijk breed genoeg worden gedragen om op grote schaal te worden toegepast.