Abschied von der 54-Volt-Ära, Schritt in die 800-Volt-Zeit: Das Rechenzentrum löst eine Stromversorgungsrevolution aus.

Mit der globalen Expansion von KI-Anwendungen wie ChatGPT, Claude und DeepSeek steigt der Strombedarf von weltweit größten hyperskaligen KI-Datenzentren stetig. Der exponentielle Anstieg der KI-Arbeitslast bringt die Datenzentren an die Grenze ihres Strombedarfs.

Der Stromverbrauch von globalen KI-Datenzentren steigt schnell von traditionellen 20 - 30 kW pro Rack auf 500 kW oder sogar 1 MW. Die Leistung eines einzelnen NVIDIA AI-GPU-Servers nähert sich 1 kW, und die Leistung eines voll bestückten NVL AI-Server-Racks übersteigt problemlos 100 kW. Das geplante 1 MW AI Factory-Rack-Cluster, das 2027 in Serie gehen soll, stellt subversive Anforderungen an das Stromversorgungssystem.

Mit dem stetigen Anstieg der Rechenleistung in der Hochleistungsrechnung entwickelt sich die Stromversorgungsarchitektur von Datenzentren beschleunigt hin zu einem 800V-Gleichstrom- (oder ±400V) HVDC-Hochspannungssystem. Die Branche ist sich einig, dass die 800V-Architektur die Energieverluste im Stromversorgungs- und Verteilungsnetz deutlich reduzieren, die Gesamteffizienz verbessern und die technische Grundlage für die massenhafte Installation von Megawatt-Racks bieten kann.

01

Traditionelles Rack-Stromversorgungssystem VS 800V HVDC

Mit dem exponentiellen Anstieg der KI-Arbeitslast steigt auch der Strombedarf von Datenzentren sprunghaft. Das traditionelle 54V-Stromverteilungssystem innerhalb des Racks, das für Kilowatt-Racks entwickelt wurde, kann die Stromversorgungsanforderungen von Megawatt-Racks in modernen KI-Fabriken nicht mehr erfüllen.

Derzeit hängt das Rack von KI-Fabriken in der Regel von einer 54V-Gleichstromversorgung ab. Über massive Kupfer-Busbars wird der Strom vom Rack-Stromversorgungsmodul zum Rechenmodul übertragen. Wenn die Rack-Leistung 200 Kilowatt überschreitet, stößt diese Stromversorgungsart zunehmend an ihre physikalischen Grenzen:

Begrenzter Platz: Nehmen wir Geräte mit NVIDIA GB200 NVL72 oder GB300 NVL72 als Beispiel. Es müssen bis zu 8 Stromversorgungsmodule für das MGX-Rechen- und Switch-Rack installiert werden. Bei der Verwendung von 54V-Gleichstromverteilung würde das Kyber-Stromversorgungsmodul bei Megawatt-Leistungsanforderungen bis zu 64U Rackplatz beanspruchen, so dass kein Platz für Rechengeräte übrig bleibt. Auf der GTC-Konferenz 2025 zeigte NVIDIA ein 800V-Sidecar-Konzept, das in einem einzigen Kyber-Rack 576 Rubin Ultra GPUs mit Strom versorgen kann. Eine andere Alternative ist die Installation eines speziellen Stromversorgungsmoduls für jedes Rechenrack.

Überlastung der Kupferkabel: Bei der Verwendung von 54V-Gleichstromversorgung in einem 1-Megawatt-Rack wären allein die Kupfer-Busbars bis zu 200 Kilogramm schwer. In einem 1-Gigawatt-Datenzentrum würde die erforderliche Kupfermenge für die Rack-Busbars bis zu 500.000 Tonnen betragen. Offensichtlich ist diese Verteilungstechnologie in zukünftigen Gigawatt-Datenzentren nicht nachhaltig.

Uneffiziente Umwandlung: Die wiederholte Wechsel- und Gleichstromumwandlung in der Stromübertragungskette verbraucht nicht nur Energie, sondern erhöht auch die Störanfälligkeit.

Das traditionelle Stromverteilungssystem in Datenzentren ist aufgrund mehrerer Spannungsumwandlungen ineffizient und erhöht die Komplexität des elektrischen Systems. Durch die Verwendung von industriellen Gleichrichtern kann die 13,8kV-Wechselstromnetzspannung am Rand des Datenzentrums direkt in 800V-Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) umgewandelt werden, wodurch die meisten Zwischenumwandlungsschritte entfallen. Dieses vereinfachte Konzept minimiert die Energieverluste bei der mehrfachen Wechsel- und Gleichstrom- sowie Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlung.

Zusätzlich kann dieses Konzept die Anzahl der stromversorgenden Einheiten (PSU) mit Lüftern in der Stromversorgungskette deutlich reduzieren. Weniger PSU und Lüfter verbessern nicht nur die Systemzuverlässigkeit und reduzieren die Kühlanforderungen, sondern erhöhen auch die Energieeffizienz. Dadurch wird die HVDC-Stromverteilung zu einer effizienten Lösung für moderne Datenzentren und reduziert gleichzeitig die Gesamtzahl der Komponenten erheblich.

02

NVIDIA gründet 800V HVDC-Allianz für zukünftige KI-Datenzentren

Im Mai 2025 kündigte NVIDIA auf der Taipeier Computex einen sensationellen Schritt an: Die Gründung einer Allianz von 800V-Hochspannungs-Gleichstrom- (HVDC) -Stromversorgungsanbietern. Das Hauptziel ist klar: Bis 2027 soll ein neues Generation von KI-Datenzentren gebaut werden, die einzelne Racks mit einer Leistung von 1 Megawatt (MW) versorgen können.

Obwohl die Hochspannungs-Gleichstromübertragung kein neues Konzept ist, konnte es in den letzten zehn Jahren aufgrund von unzureichender Wandlereffizienz, unvollständigen Schutzmechanismen und fehlenden Standardisierungsmaßnahmen in der Datenzentrumbranche keine Massenmarktreife erreichen. In den letzten Jahren konnten die Fortschritte in der Festkörper-Stromversorgungstechnologie und die Reifung der Elektromobilitätsbranche jedoch die Sicherheit, Energieeffizienz und Kosteneffizienz des 800V-Systems gewährleisten. Andererseits hat NVIDIA zusammen mit Partnern aus der gesamten Wertschöpfungskette ein integriertes Netzwerk aus Chips, Stromversorgung, Elektrotechnik und Datenzentrum-Betrieb aufgebaut, das die technische Umsetzung erleichtert. Daher arbeitet NVIDIA jetzt mit Partnern aus dem Ökosystem der Datenzentrum-Energie an der Entwicklung einer 800V HVDC-Architektur.

Angesichts des rasanten Anstiegs des KI-Energieverbrauchs kann die reine Erhöhung der Hardware-Dichte das Kernproblem nicht lösen. Die 800V HVDC-Architektur von NVIDIA überwindet nicht nur die Engpässe in der Energieübertragung, sondern eröffnet auch die Möglichkeit, hohe Rechenleistung in KI-Fabriken mit niedrigen Gesamtbetriebskosten (TCO) zu verbinden.

Offizielle Daten zeigen, dass die End-to-End-Energieeffizienz dieser Architektur um bis zu 5 % steigen kann. Durch die Reduzierung von Ausfällen der Stromversorgungseinheiten (PSU) sinken die Personalkosten für die Wartung der Komponenten erheblich. Die Wartungskosten können um bis zu 70 % reduziert werden. Da keine Wechsel- / Gleichstrom- (AC/DC) -Stromversorgungseinheiten im IT-Rack erforderlich sind, sinken auch die Kühlungskosten deutlich. Dies ist für KI-Dienstleister, Cloud-Computing-Plattformen und Betreiber von hyperskaligen Datenzentren sicherlich eine kostengünstige und notwendige technische Investition.

Tatsächlich hat nicht nur NVIDIA diese Technologie entwickelt. Microsoft hat im Oktober letzten Jahres auch die Mount DrD Low-Separated Power Architecture vorgestellt, die eine 50V-Gleichstromversorgung verwendet und die Umstellung auf eine 400V-HVDC-Versorgung durch den Austausch der Stromversorgungsmodule plant. Google hat ein kurzfristiges Übergangskonzept und ein Endkonzept vorgeschlagen. Im Endkonzept wird das Datenzentrum direkt an das Netz angeschlossen und über eine große Gleichrichtereinrichtung in plus/minus 400V-Gleichstrom umgewandelt, um die Energieeffizienz zu maximieren. Meta hat ein dreistufiges Hochleistungs-Stromversorgungskonzept veröffentlicht, das schrittweise zu einer Megawatt-HVDC-Lösung führt.

03

Chinesische Hersteller beginnen frühzeitig mit der Planung

Angesichts dieser neuen technologischen Veränderung setzen chinesische Hersteller ebenfalls auf die Entwicklung der relevanten Technologien.

Interessanterweise ist Innosec als einzige chinesische Chip-Firma in die Liste der Partner für die 800V-Gleichstromversorgungsarchitektur auf der NVIDIA-Website vom 1. August aufgenommen worden. Beide Seiten werden zusammen die massenhafte Anwendung der 800V-Gleichstrom- (800 VDC) -Stromversorgungsarchitektur in KI-Datenzentren vorantreiben. Diese Partnerschaft wird die Rechenleistung pro Serverraum um mehr als das 10-fache erhöhen, die Leistungsdichte pro Rack auf über 300 kW bringen und die globalen KI-Datenzentren in die Ära der Megawatt-Stromversorgung führen.

Ein anderer Hersteller für Chipverkapselung und -test, JCET, hat ebenfalls eine Reihe von Lösungen entwickelt.

Bei der Primärstromversorgungseinheit (PSU) zeigt JCET ein umfassendes technologisches Portfolio: Es bietet sowohl Hochleistungs-Discrete Bauelemente in fortschrittlichen Gehäusetechnologien wie TO263-7L, TOLL, TOLT als auch branchenführende Kunststoffverkapselte Leistungsmodelle, die alle mit Leistungshalbleitern aus der dritten Generation wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid (SiC) kompatibel sind. Derzeit werden diese Discrete Bauelemente und Kunststoffverkapselte Modelle bereits stabil in großer Serie produziert. Im Hinblick auf die Anforderungen der 800V-Gleichstromarchitektur hat JCET frühzeitig die technologische Planung und die Serienproduktionsprüfung abgeschlossen und verfügt über eine reife Anpassungsfähigkeit.

Der Intermediate Bus Converter (IBC) ist die zentrale Brücke zwischen der 800V-Hochspannung und der nachgelagerten 12V/4,8V-Niederspannungsausgabe. Die hohen Anforderungen an die Leistungsdichte und die extrem geringen PDN-Verluste stellen an die Verkapselungstechnologie hohe Anforderungen. In diesem Bereich kann JCET ein PDFN-Gehäuse mit doppelter Wärmeableitung anbieten und hat sowohl für GaN-MOSFETs als auch für Silizium-MOSFETs reife Verkapselungs- und Testlösungen entwickelt. Darüber hinaus hat das Unternehmen einen Durchbruch bei der mehrschichtigen Hochdichte-System-in-Package (SiP) -Technologie erzielt, und die relevanten Produkte werden bereits in erstklassigen Serverplatinenprojekten in Serie geliefert.

Bei der Point-of-Load (PoL) -Stromversorgung zeigt JCET ebenfalls deutliche Vorteile. Für Produkte wie DrMOS und Mehrphasenregler bietet das Unternehmen eine reife QFN-Verkapselung und eine neue hochintegrierte LGA-Verkapselungslösung. Mit seiner eigenentwickelten mehrschichtigen SiP-Technologie hat es erfolgreich miniaturisierte Stromverwaltungsmodule mit Zwei- bis Acht-Phasen-Ausgabe entwickelt, wobei der maximale Strom pro Phase über 60A betragen kann. Derzeit hat das Team die Entwicklung eines neuen hochintegrierten Moduls abgeschlossen, und die Ergebnisse der SiP-Interkonnektivitätszuverlässigkeitsprüfung sind ausgezeichnet.

Über die drei Subsysteme PSU, IBC und PoL hinweg hat JCET im Hinblick auf die Anforderungen von 800V-Boardanwendungen mit großer Spannungsdifferenz ein technologisches Konzept aufgebaut, das sowohl Discrete als auch integrierte Lösungen, sowie Einzelschicht- und Modullösungen berücksichtigt. Die Serienproduktionsrhythmen stimmen mit den Marktansprüchen überein. Gleichzeitig hat das Unternehmen durch die enge Zusammenarbeit mit mehreren Material-, Geräte- und Systemintegratoren ein stabiles Kooperationsnetzwerk in der gesamten Wertschöpfungskette etabliert und kann den Kunden einen ganzheitlichen Mehrwert-Service von der thermischen Simulation, der Zuverlässigkeitsprüfung bis zur Leistungsoptimierung bieten.

04

Warum GaN?

Der Grund, warum Innosec in die NVIDIA-Zuliefererkette aufgenommen wurde, liegt in der knappen Versorgungslage von globalem Galliumnitrid (GaN). Letzten Monat hat TSMC die GaN-Produktionslinie geschlossen. Der tiefere Grund dahinter ist die Knappheit der GaN-Materialversorgung. Selbst ein Branchenriese wie TSMC hat Schwierigkeiten, Zugang zu GaN zu erhalten. Die Versorgungskapazität anderer Hersteller ist natürlich noch stärker eingeschränkt. Unter diesen Umständen war die Aufnahme von Innosec in gewisser Weise eine unvermeidliche Wahl aufgrund der Marktversorgungslage.

Im weiteren Sinne hat GaN als wichtiges Mitglied der dritten Generation von Halbleitern im Vergleich zu Siliziumcarbid (SiC) einzigartige Vorteile. In Hochspannungsszenarien gibt es zwar zwei technologische Wege, SiC und GaN, aber die Leistung von GaN ist hervorragender: Herkömmliche Stromversorgungsgeräte haben in der Regel das Problem von großer Größe und hohem Energieverbrauch, und GaN-Bauelemente können dieses Problem effektiv lösen.

Aus technischer Sicht resultieren die Kernvorteile von Galliumnitrid-Bauelementen (d. h. HEMT) aus ihrer speziellen Struktur. Die Grundstruktur eines GaN-HEMT besteht aus einer GaN/AlGaN-Heterostruktur - eine spezielle Verbindung, die aus zwei Halbleitern mit unterschiedlichem Bandabstand gebildet wird und an der Grenzfläche eine zweidimensionale Elektronengas (2DEG) erzeugt. Genau diese Eigenschaft verleiht GaN-Bauelementen eine hohe Elektronenbeweglichkeit und somit einen niedrigen Durchlasswiderstand. Aufgrund der lateralen Struktur von P-GaN-HEMT werden jedoch hohe Genauigkeitsanforderungen an die Epitaxie und die Herstellungsprozesse gestellt. Daher ist das IDM (Integrated Device Manufacturer) -Modell die beste Lösung - die vollständige Selbstkontrolle des gesamten Prozesses von der Epitaxie bis zum Verkapselungstest kann die Leistungssicherheit der Produkte besser gewährleisten.

Im Gegensatz zu Silizium-Leistungshalbleitern leitet ein GaN-Transistor über die piezoelektrische Wirkung an der Grenzfläche zwischen AlGaN und GaN ein zweidimensionales Elektronengas. Da das zweidimensionale Elektronengas nur durch eine hohe Elektronenkonzentration leitet, gibt es kein Problem der Minoritätsträgerrekombination (d. h. Rückwärtsrecovery der Body-Diode) wie bei Silizium-MOSFETs. Dies macht die Hochfrequenzeigenschaften von GaN-Bauelementen besonders hervorragend.

Die Vorteile, die aus den Materialeigenschaften resultieren, zeigen sich direkt in der Leistung: GaN-HEMT-Leistungsbauelemente haben einen kleineren Durchlasswiderstand und eine geringere Gate-Ladung und bieten somit bessere Leitungs- und Schalteigenschaften. Sie eignen sich daher besonders für Hochfrequenzanwendungen und können die Effizienz und Leistungsdichte von Wandlern erheblich verbessern.

Die Hochfrequenzeigenschaften bringen drei deutliche Vorteile:

Reduzierung des Transformatorvolumens: Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist die Änderungsrate des magnetischen Flusses umso höher, je höher die Frequenz ist. Dadurch kann das erforderliche Transformatorvolumen erheblich reduziert werden, was wiederum das Gesamtvolumen und das Gewicht des Ger