Vertikale Stromversorgung avanciert zum „neuen Aufsteiger“
Große KI-Modelle treiben die Leistungssteigerung von Rechnerchips kontinuierlich voran. Um einen höheren Rechendurchsatz zu erreichen, steigt die Gesamtleistungsaufnahme von KI-Chips stark an, während die Versorgungsspannung im Inneren der Chips stetig sinkt. Nach der Leistungsformel P=U×I führt der Spannungsabfall zu einem weiteren Anstieg des Arbeitsstroms. Auf der APEC2026 haben die Stromversorgungshersteller 3000A als Designziel für die nächste Generation von Versorgungsreferenzplattformen festgelegt, während die seit vielen Jahren verwendete horizontale boardebene Stromversorgung an die physischen Grenzen stößt. Angesichts einer Reihe praktischer Probleme wie Verluste, Raumbedarf und transiente Antworten, die durch hohe Ströme verursacht werden, ist die Vertical Power Delivery (VPD) zu der von der Industrie vorangetriebenen Stromversorgungsarchitektur der nächsten Generation geworden.
Der dringende technische Bedarf überträgt sich schnell auf die Industrieseite, und entsprechende Kapitalmaßnahmen treten zunehmend auf. Im Mai 2026 erwarb ADI Empower Semiconductor, im August erwarb Infineon C2i Semiconductors und Navitas erwarb Claros. Innerhalb weniger Monate wurden drei große Transaktionen abgeschlossen, was ein starkes industrielles Signal aussendet: Die vertikale Stromversorgung ist nicht mehr nur die technische Voruntersuchung einzelner Hersteller, sondern die weltweit führenden Unternehmen für analoge Halbleiter steigen alle in dieses Feld ein. Diese durch die KI-Rechenleistung erzwungene Revolution der Stromversorgungsarchitektur tritt nun in die Phase der industriellen Umsetzung ein.
Die traditionelle Stromversorgung stößt an ihre Grenzen
In den letzten zehn Jahren wurde in KI-Servern überwiegend das horizontale boardebene Stromversorgungskonzept verwendet. Diese Architektur passt gut zu CPUs und frühen GPUs, aber mit dem rasanten Anstieg des Stromverbrauchs und des Stroms von KI-Chips werden die Mängel des ursprünglichen Designs vollständig offengelegt.
Bei der traditionellen horizontalen Stromversorgung werden die Spannungsreglerkomponenten um den GPU-Chip herum angeordnet, und die Energie wird über die Kupferfolienleitungen der Hauptplatine zum Kern des Chips transportiert. Da die Kernspannung der GPU bereits auf 0,6-0,8V gesunken ist und der Strom mehrere tausend Ampere erreicht, steigen die Verluste im Stromversorgungsweg nach dem Verlustgesetz I²R mit zunehmendem Strom quadratisch an.
Laut den von TSMC auf der APEC-Konferenz veröffentlichten Daten beträgt der Widerstand des PDN (Stromversorgungsnetzes) des traditionellen boardebenen Stromversorgungsnetzes etwa 90-140 μΩ, was zu erheblichen Pfadverlusten führt. Bei Umstellung auf die vertikale Stromversorgung kann dieser Wert auf 10-15 μΩ gesenkt werden, was einer Verlustminderung von etwa 89 % entspricht. Die Branche schätzt daraufhin, dass dieser Anteil der Pfadverluste an der gesamten Stromversorgung des Geräts bis zu 20-30 % betragen kann. Die in Wärme umgewandelten Verluste erhöhen direkt die Energieeffizienz und die langfristigen Betriebskosten des Rechenzentrums.
Auch der Platzkonflikt ist kaum zu vermeiden: Heutzutage sind KI-Chips ringsum mit HBM-Speichern bestückt, und die PCB-Fläche für Stromversorgungskomponenten außerhalb des Gehäuses ist sehr begrenzt. Betrachtet man die Iteration von Nvidias GPUs: Von V100 bis B200 ist die Anzahl der Stromversorgungsphasen der GPU von 16 auf über 60 gestiegen. Der Ansatz, nur durch Erhöhung der Stromversorgungsphasen und Anhäufung von Stromversorgungskomponenten auf der Platine voranzukommen, hat die physischen Grenzen erreicht.
Quelle: NVIDIA/TIPMPP21887 | Vortragsbericht APEC 2026
Neben Stromverbrauch und Platz bereiten auch stark schwankende Lasten der traditionellen Stromversorgung Probleme. Während des Trainings und der Inferenz von großen Modellen ändert sich die Last des Chips extrem schnell. Die langen Leitungen führen zu einer hohen parasitären Induktivität, sodass die Stromversorgungsantwort nicht mit den Lastsprüngen Schritt hält, was leicht zu Spannungsabfällen führt und den stabilen Betrieb des Chips mit voller Rechenleistung beeinträchtigt. Die Branche hat bereits Maßnahmen wie die Verdickung der Kupferfolie, die Modernisierung von TLVR-Induktoren und die Erhöhung der Anzahl der Stromversorgungsphasen ausprobiert, aber dies sind alles nur Reparaturen innerhalb des bestehenden Systems und können das Grundproblem der langen Leitungen nicht lösen.
Genau diese praktischen Einschränkungen veranlassen die Industrie, sich dem neuen System der vertikalen Stromversorgung zuzuwenden.
Im Gegensatz zur horizontalen Stromversorgung, die den Strom von der Seite des Chips zuführt, besteht der Kernansatz der vertikalen Stromversorgung darin, die Spannungsregelungseinheit von der Seite des Chips direkt unter den Chip zu verlegen, sodass der Strom vertikal nach oben zum Kern des Chips fließt und der Stromversorgungsweg von der Zentimeter- auf die Millimeter-Ebene komprimiert wird, wodurch die Impedanz und die parasitäre Induktivität des Stromversorgungsnetzes gesenkt werden. Je nach Integrationsgrad wird dies in verschiedene Phasen unterteilt: PCB-VPD (rückseitiges vertikales Modul), SIVR (Spannungsregler in das Gehäusesubstrat integriert) sowie In-Package IVR (Spannungsregelschaltung in das Innere des Chipgehäuses integriert), die gemeinsam die technische Familie der Near-Chip-Stromversorgung bilden.
Quelle: Zusammenstellung von Halbleiterindustrie Beobachtung
Die Vorteile dieser Architekturänderung sind eindeutig: Die Testergebnisse aus dem offiziellen Whitepaper von Vicor zeigen, dass die vertikale Stromversorgung den Widerstand des Stromversorgungsnetzes auf 5-7 μΩ senken kann, wodurch die Verteilung der Verluste um bis zu 95 % reduziert wird. Nach der Verkürzung des Stromversorgungswegs verbessert sich die transiente Antwortfähigkeit deutlich und passt zu den schnell schwankenden Lasten von KI-Chips. Auf der Vorderseite der Hauptplatine müssen keine großen Mengen an Stromversorgungskomponenten mehr platziert werden, sodass der Platz für HBM und Hochgeschwindigkeitsverbindungen zur Verfügung steht und der zunehmende Integrationsgrad der Chips berücksichtigt wird. Natürlich ist die vertikale Stromversorgung nicht ohne Nachteile: Die Modulanordnung, das Gehäuseherstellungsverfahren und die BOM-Kosten bringen neue technische Herausforderungen mit sich.
Die vertikale Stromversorgung entwickelt sich vom Konzept zur industriellen Umsetzung
Rückblickend auf die Entwicklungsgeschichte der vertikalen Stromversorgungstechnologie hat Intel bereits 2012 die Forschung und Entwicklung der FIVR-Technologie (vollintegrierter Spannungsregler) abgeschlossen und diese 2013 mit dem Haswell-Prozessor in die Serienproduktion überführt. Die Integration des Spannungsreglers in das Innere des CPU-Gehäuses war eine wichtige praktische Umsetzung der IVR-Technologie. Im Bereich der vertikalen Stromversorgung speziell für KI-Chips kündigte Vicor 2019 eine Zusammenarbeit mit Kyocera an, bei der Kyocera organische Gehäuse, Substrate und Hauptplatinenintegration bereitstellt, um gemeinsam eine neue Generation von integrierten Stromversorgungslösungen für KI und Hochleistungs-Prozessoren zu entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt standen jedoch noch hauptsächlich Konzeptzusammenarbeit und Validierung im Vordergrund, und es wurden keine großflächigen ausgereiften Produkte für KI-Beschleuniger entwickelt.
Erst als der Stromverbrauch und der Strom von KI-Chips schnell anstiegen und die alte Architektur nicht mehr tragbar war, erhielt die vertikale Stromversorgung ihre echte Chance zur Industrialisierung und es bildeten sich nach und nach mehrere praktikable technische Routen heraus.
PCB-VPD ist derzeit die Lösung mit der schnellsten Fortschrittsgeschwindigkeit: Das Stromversorgungsmodul wird direkt auf die Rückseite der Prozessor-Hauptplatine gelötet, das Chipgehäuse muss nicht neu entworfen werden, es ist mit der bestehenden Server-Lieferkette kompatibel und der Umstellungsdruck für die Gerätehersteller ist am geringsten. SIVR hingegen stellt die mittelfristige und langfristige Entwicklungsrichtung dar, mit dem Ziel, die Spannungsregelschaltung auf das Chip-Trägersubstrat zu integrieren, sodass der Weg kürzer und die Leistung besser ist. SIVR erfordert jedoch eine tiefe Zusammenarbeit von Chip-, Substrat- und Stromversorgungsherstellern, was die Komplexität der Lieferkette erhöht.
In-Package IVR ist theoretisch die Lösung mit der besten Leistung: Spannungsregler und Siliziumkondensatoren werden direkt in das Innere des Chipgehäuses eingebettet, sodass der Stromversorgungsweg am kürzesten ist. Gleichzeitig werden jedoch strenge Anforderungen an die Ausbeute bei der Gehäuseherstellung, die Wärmeabfuhr und die Zuverlässigkeit der Komponenten gestellt. Derzeit wird dies hauptsächlich für hochgradig angepasste Rechenleistung verwendet, und für die großflächige Serienproduktion muss das Verfahren noch stetig optimiert werden.
Die drei Routen haben jeweils ihre Vor- und Nachteile, kurzfristig gibt es keine Situation, in der eine Technologie vollständig dominiert, und sie werden parallel weiterentwickelt. Es steht jedoch fest: Nach der Demonstration durch führende Chiphersteller und der Prototypprüfung durch Cloud-Hersteller ist die vertikale Stromversorgung nicht mehr nur ein Labor-Konzept, sondern zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für die nächste Generation von hochwertigen KI-Servern geworden.
Globale industrielle Verteilung der vertikalen Stromversorgung
Die Chiphersteller befinden sich am obersten Ende der Industriekette. Basierend auf den Anforderungen an Stromverbrauch, Strom und Gehäuseverteilung von KI-Chips bestimmen sie direkt die technischen Parameter, die Architekturauswahl und das Tempo der kommerziellen Umsetzung der vertikalen Stromversorgung und sind die zentrale treibende Kraft für die gesamte Branche.
Nvidia als weltweit führender Anbieter von KI-Rechenplattformen führt die Zusammenarbeit mit allen Partnern der Industriekette durch, um die systemische Anpassung der neuen Stromversorgungsarchitektur zu fördern. Laut dem offiziell von Nvidia veröffentlichten Whitepaper zur 800V-Gleichstromarchitektur plant das Unternehmen explizit die Umsetzung eines 800V-Hochspannungs-Gleichstromversorgungssystems um 2027 herum, um eine neue Stromversorgungsinfrastruktur für KI-Racks im 1-MW-Bereich aufzubauen und den Weg für ultrahochdichte KI-Cluster zu ebnen. Gleichzeitig bringt die klare Beschränkung der Anordnung der Rubin-Architektur mit hochdichtem HBM4 die VPD zur praktikabelsten technischen Lösung.
Google, AMD und Intel haben ebenfalls frühzeitig entsprechende Vorkehrungen getroffen. CapitalG, das zum Google-Mutterkonzern Alphabet gehört, hat sich an dem hochwertigen IVR-Chiphersteller Empower Semiconductor beteiligt, und veröffentlichte wissenschaftliche Arbeiten bestätigen, dass die TPU-Plattform vor großen Problemen bei der Hochstromversorgung steht, sodass die Technologie der Near-Chip-Stromversorgung stetig erforscht wird. AMD führt für den nächsten hochleistungsfähigen KI-Beschleuniger im 3kW-Bereich interne Validierungen des VPD-Konzepts durch und konzentriert sich auf die Optimierung von PDN-Verlusten, Elektromigration und Wärmeabfuhr des gesamten Geräts. Intel baut auf den gesammelten Erfahrungen mit der integrierten FIVR-Spannungsregelung auf und treibt parallel die beiden Routen PCB-VPD und In-Package-IVR voran, um die Iterationsanforderungen von Server-CPUs und KI-Beschleunigerchips zu erfüllen.
Nachdem die Chiphersteller die Systemanforderungen festgelegt haben, übernehmen die Hersteller von Stromversorgungs-, Analog- und passiven Komponenten die Umsetzung der Hardware-Lösungen. Als weltweit repräsentativer Hersteller von hochleistungsfähigen und hochdichten Stromversorgungsmodulen hat Vicor die VPD-Technologielösung schon früh entwickelt. 2019 stellte es gemeinsam mit Kyocera einen Prototyp für die vertikale Stromversorgung vor und brachte mit der geteilten Stromversorgungsarchitektur ein rückseitig auf der Platine montiertes KI-Stromversorgungsmodul auf den Markt, das die PDN-Impedanz stark senkt und bereits mehrere führende KI-Kunden bedient.
Als großer Hersteller von Analogchips verfügt ADI über eine ausgereifte und vollständige Produktlinie von analogen Stromversorgungen für Server auf Boardebene, fehlen jedoch die Kernkomponenten wie IVR-integrierte Spannungsregler und Siliziumkondensatoren für Near-Chip-Anwendungen. Aus diesem Grund erwarb ADI Empower Semiconductor, um die Technologien für FinFast-IVR und ECAP-Siliziumkondensatoren zu erwerben und die Lücken in der Stromversorgungskette vom Rack-Eingang bis zum Chipherzkern zu schließen.
Bei Infineon wurden seit 2024 schrittweise die PCB-VPD-Leistungshardwaremodule der OptiMOS TDM-Serie auf den Markt gebracht. Um die Software- und Systemfähigkeiten zu ergänzen, die für die Entwicklung der vertikalen Stromversorgung in Richtung der Substratintegrationsroute erforderlich sind, kündigte das Unternehmen am 24. August die Übernahme des indischen Startups für Stromversorgungsmanagement C2i Semiconductors an.
Ausgerechnet zur selben Zeit kündigte auch Navitas die geplante Übernahme des KI-Stromversorgungsmanagement-Startups Claros an. Navitas gab an, durch die Akquisition die gesamten technischen Fähigkeiten für die Near-Chip-Stromversorgung von Prozessoren zu ergänzen und in Kombination mit den eigenen Vorteilen bei Hochspannungskomponenten die gesamte Stromversorgungskette vom Stromnetz bis zum xPU-Kern zu schließen.
Darüber hinaus haben viele weitere Hersteller auf der Grundlage ihrer eigenen technischen Erfahrungen entsprechende Produkte und Lösungen entwickelt. Beispielsweise hat MPS ein ultradünnes ZPD-Vertikalstromversorgungsmodul auf den Markt gebracht, das für flüssigkeitsgekühlte Server geeignet ist und tief an der Entwicklung von Prototypen für gesamte Geräte teilnimmt. TDK hat stapelbare Hochstrom-Module für die rückseitige Stromversorgung auf der Platine auf den Markt gebracht, die standardisierte Komponentenlösungen anbieten. Delta konzentriert sich auf systemische Anpassungen und vertieft die Entwicklung von VPD-Gesamtlösungen für Cloud-Hersteller und das 800V-Stromversorgungsökosystem.
Insgesamt betrachtet ist die vertikale Stromversorgung zu einem strategischen Bereich geworden, den Hersteller von Leistungshalbleitern unbedingt erobern müssen. Bislang gibt es jedoch noch keine einheitlichen Schnittstellen- und Systemstandards in der Branche, sodass die technische Auseinandersetzung und der Aufbau des Ökosystems in der Industriekette stetig voranschreiten.