Stromversorgungsinfrastruktur im Zeitalter künstlicher Intelligenz, unterstützt durch BBUs (Battery Backup Units) – neue Herausforderungen und Lösungen für Rechenzentrum

Strombedarf und Energiequellen von Rechenzentren im Zeitalter der generativen KI

Die rasante Entwicklung der generativen künstlichen Intelligenz (KI) hat die Entstehung und Kommerzialisierung großer Sprachmodelle (LLMs) wie ChatGPT (GPT-4) und Llama 2 vorangetrieben. Diese LLMs benötigen enorme Rechenleistung, um anhand riesiger Datensätze trainiert zu werden. Darüber hinaus werden KI-Agenten – integrierte Systeme, die mehrere KI-Technologien und Geräte kombinieren, die autonome Entscheidungen treffen können – aktiv entwickelt, was die Verarbeitungslast in absehbarer Zukunft weiter erhöhen wird.

Vor diesem Hintergrund investieren Hyperscaler – führende Cloud-Service-Anbieter wie Google, Amazon Web Services (AWS) und Meta – massiv in leistungsstarke, energieeffiziente Rechenzentren, die für die KI-Nutzung optimiert sind. Beispielsweise verbraucht der Supercomputer NVIDIA DGX H200, der mit leistungsstarken Grafikprozessoren (GPUs) für KI-Workloads ausgestattet ist, bis zu 10,2 kW Strom– etwa 5- bis 40-mal mehr als ein herkömmlicher Server, der typischerweise 0,5 bis 2 kW verbraucht.

Der steigende Strombedarf hat zu einem deutlich höheren Stromverbrauch von Rechenzentren geführt. Laut Electricity 2024 der Internationalen Energieagentur (IEA) verbrauchten Rechenzentren im Jahr 2022 rund 460 TWh Strom. Bis 2026 wird ein Anstieg auf über 1.000 TWh prognostiziert. Diese Zahl entspricht fast dem gesamten jährlichen Stromverbrauch Japans.

Unter diesen Umständen ist die Sicherstellung stabiler und hochzuverlässiger Stromquellen eine Grundvoraussetzung für den Betrieb von Rechenzentren. Insbesondere Batterie-Backup-Einheiten (BBUs), die bei kurzzeitigen Schwankungen oder Ausfällen vorübergehend Strom liefern, um aktive Daten zu erhalten und sichere Systemabschaltungen zu ermöglichen, werden für den Schutz informationsbasierter Anlagen immer wichtiger.

Arten von Notstromgeräten und Eigenschaften von BBUs

Es gibt verschiedene Notstromlösungen für unterschiedliche Anwendungen und Umgebungen. Ein klares Verständnis ihrer Eigenschaften und Unterschiede ist für die Auswahl der geeigneten Stromversorgungsgeräte unerlässlich.

• ESS
  Energiespeichersysteme (ESS) sind groß angelegte Stromspeichersysteme für das Energiemanagement. Ihre Hauptanwendungen umfassen die Glättung von Schwankungen in der Produktion erneuerbarer Energien und die Verschiebung von Spitzenlasten. ESS tragen außerdem zur Stabilisierung der Netzfrequenz und zur Regulierung der Leistung bei und unterstützen so die Bereitstellung von qualitativ hochwertigem Strom – entscheidend für einen stabilen Infrastrukturbetrieb.
  
  ESSs können Strom für einen Zeitraum von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen speichern, was sie für die Energieverwaltung im großen Maßstab und die Optimierung des Gleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage in Gemeinden wertvoll macht.
  Referenzwebsite: Energiespeichersystem (ESS) mit Lithium-Ionen-Batterien
  
• USVs
  Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sind Geräte, die bei einer Unterbrechung der Stromversorgung für mehrere Minuten bis Stunden Strom liefern. Sie ermöglichen den stabilen Weiterbetrieb angeschlossener Systeme bei plötzlichen Stromausfällen oder kurzzeitigen Spannungsabfällen. Bei längeren Stromausfällen unterstützen USVs sichere Systemabschaltungen, um Geräteausfälle oder Datenverluste in kritischen Systemen zu verhindern.
  
  USVs schützen zudem vor Spannungsschwankungen und tragen so zur Aufrechterhaltung der Stromqualität bei. In Rechenzentren dienen sie als Überbrückungsstromquellen, bis die primären Stromquellen wiederhergestellt sind, und gelten als wesentliche Infrastruktur zur Verbesserung der Gesamtsystemzuverlässigkeit.
  
• BBUs
  Batterie-Backup-Einheiten (BBUs) sind speziell dafür ausgelegt, bei vorübergehenden Stromschwankungen oder -ausfällen kurzfristige Notstromversorgung für einige Sekunden bis Minuten bereitzustellen.
  
  Selbst ein kurzzeitiger Stromausfall kann Systeme mit schnellem, flüchtigem Speicher mit hoher Kapazität – wie beispielsweise leistungsstarke GPU-Server für die KI-Verarbeitung – erheblich beeinträchtigen, da die im Speicher gespeicherten Daten sofort gelöscht werden. BBUs sind unerlässlich für die sichere Übertragung großer Datenmengen vom flüchtigen Speicher in den nichtflüchtigen Speicher oder andere Speichersysteme. Im Vergleich zu USVs sind BBUs kompakter und können pro Rack installiert werden. Dadurch können sie auf mehrere Racks verteilt werden. Dies macht sie zu einer platzsparenden und wartungsarmen Option für Rechenzentren mit zunehmender Dichte.
  
  Das folgende Diagramm veranschaulicht die Funktionen und typischen Installationen von BBUs, USVs und ESSs. BBUs erregen besondere Aufmerksamkeit als platzsparende und schnell reagierende Lösung.
  

BBU-Marktexpansion und zugrunde liegende Veränderungen

Der BBU-Markt wächst parallel zur Verbreitung von KI-Servern rasant. Die Einführung GPU-basierter Hochleistungsrechner hat den Stromverbrauch deutlich erhöht und den Bedarf an Infrastrukturen mit sofortiger und stabiler Stromversorgung erhöht.

Besondere Aufmerksamkeit gilt den proaktiven Investitionen in KI-Infrastrukturen führender Hyperscaler, darunter Microsoft und Alphabet, der Muttergesellschaft von Google. Laut einem Reuters-Bericht vom April 2024 stiegen die Investitionen von Microsoft im ersten Quartal 2024 auf 11,5 Milliarden US-Dollar, ein Plus von 300 Millionen US-Dollar gegenüber dem Vorquartal. Die Investitionen von Alphabet erreichten 12 Milliarden US-Dollar, ein Anstieg von 91 % gegenüber dem Vorjahr. Analysten prognostizieren, dass die Investitionen in KI-unterstützende Infrastruktur weiter steigen werden.

Diese proaktiven Investitionen führender Cloud-Anbieter treiben die Nachfrage nach umfassender Rechenzentrumsinfrastruktur an, einschließlich Notstromsystemen für leistungsstarke KI-Server. Jeder KI-Server verbraucht über 10 kW Strom, sodass die BBUs jedes Jahr einen steigenden Strom- und Spannungsbedarf bewältigen müssen.

Laut dem Data Center UPS Market Report 2024–2030 von Grand View Research wurde der globale Markt für USVs für Rechenzentren (einschließlich BBUs) im Jahr 2024 auf etwa 4,040 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 auf rund 6,411 Milliarden US-Dollar anwachsen.

Darüber hinaus hat die anhaltende Verlagerung hin zur verteilten Datenverarbeitung von der Cloud zum Edge die Nachfrage nach kompakten BBUs in Edge-Rechenzentren erhöht, wo Platzeffizienz und Flexibilität im Vordergrund stehen. Auch bestehende USVs werden, insbesondere in Schwellenländern, durch BBUs ersetzt, was die globale Diversifizierung von Notstromlösungen widerspiegelt.

BBU-Herausforderungen und sich entwickelnde Sicherheitsmaßnahmen

Die zunehmende Verbreitung von BBUs hat Sicherheitsherausforderungen in den Vordergrund gerückt. Die Integration mehrerer Lithium-Ionen-Batteriezellen in BBU-Systeme erhöht das Risiko schwerwiegender Zwischenfälle – einschließlich Schwellungen, Rissen und Bränden –, insbesondere wenn die Leistung der Batterien durch Überstrom, Überladung oder wiederholte Lade-Entlade-Zyklen beeinträchtigt wird.

Um diese Risiken zu vermeiden, sind sekundäre Schutzmechanismen unerlässlich. Sie stellen sicher, dass BBUs Anomalien sofort erkennen und die Batterie physisch vom Lade-/Entladekreis isolieren, um eine weitere Eskalation zu verhindern. Da KI-Server hohe Leistungen in kurzen Stößen benötigen, müssen sekundäre Schutzschaltungen auf hohe Zuverlässigkeit ausgelegt sein und über eine schnelle Abschaltung, einen geringen Innenwiderstand und die Vermeidung von Fehlauslösungen verfügen.

Durch die Implementierung der richtigen Sekundärschutzlösung lässt sich das Risiko katastrophaler Ausfälle wie Brände oder Geräteschäden vermeiden. Darüber hinaus trägt die Isolierung fehlerhafter Einheiten vom System dazu bei, die allgemeine Integrität und Zuverlässigkeit des gesamten Gerätenetzwerks zu gewährleisten.

SCP: Festlegung neuer BBU-Schutzstandards

Die Self Control Protectors (SCP) von Dexerials – oberflächenmontierbare Sicherungslösungen für den Sekundärschutz – erkennen elektrische Anomalien wie Überstrom und Überspannung und trennen dann die betroffenen Stromkreise physisch. In Systemen, die mit mehreren Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgestattet sind, wie z. B. BBUs, gewährleisten SCPs eine schnelle und zuverlässige Stromabschaltung und ermöglichen so das Entfernen oder Austauschen fehlerhafter Einheiten, um die Systemintegrität zu erhalten.

Jede SCP Einheit bietet Schutz und ist dank ihres kompakten, leichten Designs ideal für die Montage mit hoher Dichte. Darüber hinaus verfügen unsere SCPs über keine Selbstrücksetzfunktion, um die Sicherheit zu erhöhen und sekundäre Risiken durch Fehlauslösungen oder unbeabsichtigte Wiederherstellung der Stromversorgung zu vermeiden.

Diese Funktionen machen die SCPs von Dexerials zu Schlüssellösungen bei der Entwicklung von KI-Server-BBUs, da sie hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit und Designflexibilität bieten. Einen detaillierten technischen Überblick finden Sie unter „Grundkenntnisse zu sekundären Schutzelementen: Was ist ‚SCP‘? – Schutz von Lithium-Ionen-Batterien vor Entzündung“.

Potenziale von BBUs und SCPs: Eckpfeiler der Zuverlässigkeit der Strominfrastruktur

Die Entwicklung generativer KI hat eine neue Evolutionsphase für die Stromversorgungsinfrastruktur in Rechenzentren eingeleitet. Insbesondere BBUs sind unerlässlich, um kritische Daten und Systeme vor kurzzeitigen Stromausfällen zu schützen.

Obwohl BBUs eine Schlüsselrolle beim Stromschutz spielen, bleibt die Aufrechterhaltung und Verwaltung ihrer Integrität, um ihre zuverlässige Funktion in Notsituationen zu gewährleisten, eine Herausforderung. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen fehlerhafte oder unzuverlässige Einheiten schnell identifiziert und entfernt werden. Dies wird durch die Integration hochzuverlässiger Sekundärsicherungen ermöglicht. Diese Sicherungen gewährleisten die allgemeine Systemsicherheit, indem sie eine weitere Eskalation durch Stromkreistrennung und die Zwangsabschaltung risikoreicher Einheiten verhindern.

Dexerials setzt sich für die Zukunft ein, mit seinen oberflächenmontierten Sicherungen (SCPs) Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die Anforderungen des BBU-Marktes nach höheren Strömen zu erfüllen. Mit diesen Bemühungen wollen wir in diesem wachsenden Sektor neue Werte schaffen.