Jedes Mal, wenn wir den neuesten Blockbuster streamen, mit einem KI-gesteuerten Sprachassistenten sprechen oder von zu Hause aus mit einem Laptop an einem Meeting teilnehmen, schieben wir große Mengen digitaler Informationen durch Datenzentren und nutzen stromhungrige Ressourcen. Und diese Nutzung nimmt beständig zu.

Im Jahr 2022 wird die Welt fast 100 Zettabyte – 100.000 Milliarden Gigabyte – an Daten erzeugen und konsumieren. Dieser riesige Berg an Bits wird sich bis 2025 voraussichtlich nahezu verdoppeln.1 Und zunehmend laufen diese Daten durch Hyperscale-Datenzentren mit jeweils Tausenden von Servern.

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Schätzungen der US-Regierung aus dem Jahr 2018 – dem letzten Jahr, in dem diese Berechnungen durchgeführt wurden – bezifferten den Energiebedarf von Datenzentren auf 70 Terawattstunden pro Jahr.2 Allein durch die Zunahme des Blockchain-Minings hat sich dieser Wert seitdem mehr als verdoppelt. Laut dem Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers (Kompetenzzentrum für Energieeffizienz in Datenzentren) macht der aktuelle Verbrauch von Datenzentren vermutlich mindestens 2 % des gesamten Stromverbrauchs in den USA aus3 und hat damit erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, was Maßnahmen für einen nachhaltigeren Betrieb von Datenzentren noch dringlicher macht.

Während sich die Server in diesen Zentren weiterentwickeln, um mit der explodierenden Datenmenge Schritt zu halten, steigt auch der Stromverbrauch pro Server – nach Robert Taylor, einem auf das Energiemanagement bei industriellen Anwendungen spezialisierten Systemmanager unseres Unternehmens, von durchschnittlich 1500 Watt pro Server in früheren Jahren auf 3000 Watt bei neueren Servern.

Höhere Leistungsdichten und damit ein besserer Wirkungsgrad von Server-Stromversorgungseinheiten (PSUs) sind eine Möglichkeit den Betrieb von Datenzentren effizienter zu gestalten.

Zudem weist Robert Taylor auf ein weiteres Argument für die dringend erforderliche Verbesserung von Server-PSUs hin. Der wachsende Strombedarf von Datenzentren stößt auf einen Engpass: Die meisten Hyperscale-Datenzentren weisen einen Anschlusswert von höchstens 50 Megawatt auf.

„Da der insgesamt verfügbare Strom in diesen Datenzentren begrenzt ist, müssen sie so wenig Strom wie möglich für Kühlung und durch Ineffizienzen in der Elektronik bedingte Verluste verschwenden“, sagt Robert Taylor.

Gleichzeitig, so Robert Taylor, fordert die Serverindustrie nach kleineren Leiterplattenflächen, um mehr Rechenleistung in jedem einzelnen Rack unterzubringen. Das bedeutet, dass die Leistungskomponenten in Servern kleiner und effizienter werden müssen, ohne übermäßige Abwärme zu erzeugen.

Unser Unternehmen ist führend in der Herstellung innovativer Halbleiter-Leistungsprodukte, die die enormen Anforderungen aktueller und zukünftiger Generationen hochmoderner Datenzentren an Leistung, Effizienz und Wärmemanagement erfüllen. Auf diesen Produkten basierende Stromversorgungen tragen dazu bei, dass selbst die größten Datenzentren reibungslos und nachhaltiger betrieben werden können.

Bewältigung höherer Leistung und Temperaturen

Der Schlüssel zu energieeffizienten Hochleistungs-Halbleiter-Stromversorgungen liegt in einer immer größeren Leistungsdichte, d. h. in der Bündelung von höherer Stromverarbeitungskapazität auf kleinerem Raum. Größere Leistungsdichten in diesem kleineren Volumen bedeuten aber auch mehr Abwärme, und das erfordert fortschrittliche Wärmemanagement-Techniken, um die Leistung aufrechtzuerhalten und die Komponenten zu schützen.

Der Bedarf an größerer Leistungsdichte besteht nicht nur in Datenzentren. Elektrische Systeme – von Vorrichtungen für die Stromnetze über Kommunikationsgeräte bis hin zu Elektrofahrzeugen und Unterhaltungselektronik – benötigen ebenfalls die von dichteren, thermisch effizienten Leistungschips gebotene Leistung und Effizienz. 

Geringere Abwärme dank effizienter Gehäuse

Unser Unternehmen stellt sich der Herausforderung bei Chips für Server-Stromversorgungen größere Leistungsdichten zu erzielen. SOT-Gehäuse (Small Outline Transistor) mit integrierten Schaltern erweitern die Grenzen von Leistungsdichte und Leistung und senken gleichzeitig die Kosten.

Fortschritte wie diese wären ohne innovative Ansätze für das Wärmemanagement nicht möglich. Es gibt drei Schlüsselbereiche, auf die wir uns konzentrieren, um die thermische Leistung zu optimieren und die Leistungsdichtegrenzen auf Chipebene zu durchbrechen: Prozesstechnologie, Schaltkreisentwurfstechniken und thermisch optimierte Gehäuse.

Ein Großteil der in Servern erzeugten Abwärme ist auf Leistungsverluste zurückzuführen, die durch die Umwandlung des 400-V-Eingangs-Wechselstroms in Gleichstrom von 6 V oder weniger entstehen. Produkte wie das Leistungsmodul TLVM13630 verwenden unsere Enhanced Hotrod™ Quad-flat No Lead (QFN)-Gehäusetechnologie mit integrierten Feldeffekttransistoren (FET), die schnelle Schaltgeschwindigkeiten und einen geringeren Widerstand bieten und damit diese Leistungsverluste deutlich reduzieren, die Chipeffizienz steigern und letztlich die Abwärmeentwicklung verringern.

„Jeder Widerstand im Silizium bedeutet einen Effizienzmangel und damit vergeudete Energie und zusätzliche Abwärme“, erläutert Les Stark, Leiter der QFN- und SOT-Gehäuseentwicklung unseres Unternehmens.

Zur weiteren Reduktion von Verlusten samt der damit einhergehenden Abwärme nutzt unser Unternehmen branchenführende Fertigkeiten wie die Integration von weiteren Komponenten wie FETs und Kondensatoren in Leistungschips. Diese Integration ermöglicht ein schnelleres, effizienteres Schalten mit geringerem Rauschen und findet beispielsweise bei der für Ströme bis zu 80 A ausgelegten eFuse TPS25985 Anwendung, die einen extrem niedrigen Durchlasswiderstand aufweist und damit ein besseres thermisches Verhalten bietet. In bestimmten Fällen gelangt unser Unternehmen durch dreidimensionales Stapeln von Komponenten auf dem Chip zu einer höheren Integration.

Effektive Wärmeabfuhr mit thermisch optimierten Gehäusen

Unser Unternehmen ist auch führend bei der Wärmeableitung von Chips durch innovative Gehäuse. So hat unser Unternehmen beispielsweise Pionierarbeit bei HotRod- und Enhanced HotRod-QFN-Gehäusen geleistet. Diese nutzen ein Flip-Chip-Gehäuse, um die Oberfläche des Chips und seine Anschlüsse direkt mit der Leiterplatte zu verbinden, statt Signale über Bonddrähte in den Chip und aus dem Chip zu führen. Diese direktere Verbindung ist äußerst effizient, wenn es um die Ableitung von Wärme vom Chip auf die Leiterplatte geht.

„Dieses Gehäusedesign bietet große Masseflächen, die zuvor nicht möglich waren, und ermöglicht gute leistungsfähige Pfade von den Bauteilen zur Leiterplatte“, so Les Stark.

Zu den weiteren fortschrittlichen Ansätzen, die unser Unternehmen bei der Wärmeableitung verfolgt, gehört die effektivere Platzierung von Kühlkörpern, um eine bessere Top-Side-Kühlung zu erreichen. Unsere Galliumnitrid (GaN)-FETs verwenden Gehäuse mit Top-Side-Kühlung, die in Systemen für Datenzentren zunehmend an Bedeutung gewinnen werden. Ursächlich hierfür ist das Bestreben mehr Rechenleistung in den einzelnen Server zu packen, das zu neuen, dichteren Komponentenanordnungen führt, die mehr Möglichkeiten zur Ableitung der Wärme von den Chips erfordern.

„Da GaN es uns ermöglicht immer höhere Leistungsdichten zu erreichen, werden derartige flexible Ansätze für die Kühlung immer wichtiger werden“, so Robert Taylor.

Jeder dieser Ansätze zur Steigerung der Effizienz und der Wärmeableitung in einem winzigen Chip kann einen gewaltigen Beitrag zum Wärmemanagement und zur Effizienz leisten. Indem wir Größe und Effizienz der Gehäuse optimieren, tragen wir dazu bei, Abwärmeprobleme unserer Datenzentrumskunden zu lösen und Umweltbelastungen zu verringern.

¹ Quelle: https://www.statista.com/statistics/871513/worldwide-data-created/
² Quelle: Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers
³ Quelle: Center of Expertise for Energy Efficiency in Data Centers
HotRod™ ist eine Marke von Texas Instruments.