Die Renaissance des Gleichstroms

800 Volt DC sollen KI-Rechenzentren effizienter, kompakter und besser skalierbar machen.

Der weltweite Boom von künstlicher Intelligenz (KI), Machine Learning und Hochleistungsrechnen (HPC) stellt die Infrastruktur klassischer Rechenzentren vor enorme Herausforderungen. Während traditionelle Enterprise-Racks jahrelang mit einer Leistungsdichte von 5 bis 15 Kilowatt (kW) auskamen, fordern moderne KI-Server-Racks heute 40 bis 100 kW – NVIDIAs Vera-Rubin-Plattform sogar bis zu über 600 kW. Herkömmliche Wechselstrom-Architekturen (AC) stoßen dabei schnell an physikalische, physische und ökonomische Grenzen. Die Folge sind u. a. Umwandlungsverluste, Abwärme sowie spezielle Anforderungen an die Elektrotechnik. Vor diesem Hintergrund erlebt eine Technologie ihr strategisches Comeback: der Gleichstrom (Direct Current, DC). Treiber dieser Transformation ist das Open Compute Project (OCP), das mit neuen Spezifikationen den Standard für die RZ-Stromversorgung der Zukunft setzt.

Das Open Compute Project

Um die Tragweite der neuen Standards zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die Entstehung des OCP. Die Initiative wurde im Jahr 2011 von Facebook (heute Meta) ins Leben gerufen, um die Entwürfe der eigenen Rechenzentrumsinfrastruktur offenzulegen. Man wollte so der Industrie die Möglichkeit geben, hochgradig effiziente, skalierbare und kostengünstige Hardware-Standards nach dem Open-Source-Prinzip zu entwickeln.

Heute ist das OCP eine global agierende, einflussreiche Gemeinschaft aus Hyperscalern (darunter Meta, Google und Microsoft), Chipherstellern (wie NVIDIA und Intel) sowie führenden RZ-Infrastruktur-Spezialisten (etwa Schneider Electric, Rittal und Vertiv). Über spezialisierte Arbeitsgruppen definiert die Allianz herstellerübergreifende Bauformen, Gehäuseabmessungen, Kühlkonzepte und elektrische Schnittstellen. Die Stärke des OCP liegt in seiner mittlerweile gewonnenen Marktmacht: Wenn führende Betreiber gemeinsame Standards verabschieden, richten auch Komponentenhersteller ihre Serienfertigung darauf aus.

In Open-Compute-Systemen (OCP) bildet Gleichstrom (Direct Current, DC) von Anfang an das elektrotechnische Fundament für hochdichte und energieeffiziente Rechenzentrumsarchitekturen. Anstatt wie in konventionellen Systemen jeden Server einzeln mit Wechselstrom (AC) zu versorgen und mehrfache Umwandlungsstufen zu durchlaufen, sind Open-Compute-Server-Racks als einheitliches elektrisches System onzipietr. Netzteil-Einschübe (Power Shelves) richten den Wechselstrom einmalig auf Rack-Ebene gleich und speisen ihn in vertikale Stromschienen (Busbars) an der Rückseite des Gehäuses ein. Während erste Standards noch auf 12 V DC setzten, wurde für das Open Rack v3 (ORv3) bereits ein 48-V-DC-System etabliert. Damit konnten Leitungsverluste drastisch reduziert und das werkzeuglose Einrasten (Blind-Mate) von IT-Knoten ermöglicht werden. Mit DC lassen sich Racks zudem nahtlos an Akku-Backup-Systemen (BBU) anbinden oder beziehen photovoltaischem Gleichstrom direkt.

Warum Gleichstrom die Zukunft der Rechenzentren ist

Während Gleichspannung in der Telekommunikation seit Jahrzehnten etabliert ist, bietet sie im modernen High-Performance-Computing (HPC) signifikante Effizienzsteigerungen. In einer konventionellen AC-Infrastruktur durchläuft der Strom eine Kaskade von Umwandlungen: Vom Mittelspannungsnetz über die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV mit DC-Zwischenkreis) zur Stromverteilereinheit (PDU mit AC) und schließlich ins Netzteilsystem (PSU) des einzelnen Servers. Jede dieser Stufen verursacht Verluste von bis zu 5 Prozent. Eine Gleichstrom-Infrastruktur reduziert dies auf eine einzige zentrale Wandlung am Netzeinspeisepunkt. Große, zentrale Gleichrichter haben einen weitaus besseren Wirkungsgrad als viele dezentrale Netzteile. Zudem können die Racks direkt an Batteriespeicher (USV) angebunden oder mit photovoltaisch erzeugtem Gleichstrom versorgt werden.

Die wichtigen Vorteile von Gleichstrom-Architekturen auf einen Blick:

• Höhere Energieeffizienz: Die Reduzierung der Umwandlungsschritte steigert den Gesamtwirkungsgrad der Stromkette um 5 bis 10 Prozent. Bei Megawatt-Rechenzentren entspricht dies Einsparungen von Millionen Kilowattstunden pro Jahr.
• Direkte Einbindung erneuerbarer Energien: Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen und Batteriespeichersysteme (BESS) erzeugen und speichern Energie nativ als Gleichstrom. Ein DC-Bus erlaubt die Einspeisung ohne wechselrichterbedingte Umwandlungsverluste.
• Platzeinsparung und thermische Entlastung: Das Auslagern voluminöser AC-Netzteile aus den einzelnen Servern spart wertvollen Platz im Rack. Zudem entsteht weniger Abwärme direkt an den sensiblen Rechenknoten, was die Kühlanforderungen spürbar reduziert.
• Skalierbarkeit für KI-Workloads: Bei extremen Stromstärken stoßen Wechselstromkabel an ihre Grenzen hinsichtlich ihrer Masse und des damit verbundenen größeren Biegeradius.

Ein weiterer Vorteil betrifft das dynamische Lastverhalten von KI-Workloads. Im Gegensatz zu Cloud-Anwendungen arbeiten GPUs beim KI-Training hochgradig synchron. Phasen mit maximaler Auslastung wechseln im Millisekundenbereich mit Rechenpausen. Diese extremen Lastschwankungen müssen gepuffert werden. Gleichstromsysteme vereinfachen die Integration von Pufferbatterien und Ultrakapazitoren (Supercaps) direkt am Verbrauchsort.

Von 48 V auf 800 V

Die neue OCP-Spezifikation setzt bei einer Nennspannung von 800 Volt Gleichspannung an. Der Sprung auf 800 V löst ein massives Problem bei der Stromversorgung moderner Racks für KI- oder HPC-Workloads. Nach der Formel P = U * I (Leistung ist Spannung mal Stromstärke) ergibt sich für die Stromstärke I = P/U. Was das in der Praxis bedeutet, verdeutlicht folgendes Beispiel:

Um ein 600-kW-Rack zu versorgen, wären mit dem aktuellen 48V-Standard rund 12.500 Ampere erforderlich. Dies erfordert extrem dicke Kupferschienen – etwa 200 Kilogramm Kupfer pro Server-Rack wären die Folge. Bei 800 Volt sinkt die Stromstärke auf moderate 750 Ampere. Da auch die thermische Verlustleistung quadratisch mit der Stromstärke ansteigt, verringert sich die Verlustleistung im Leitungssystem bei geringerer Stromstärke ebenfalls.

Kernbestandteile der neuen Spezifikationen sind:

• Zentrale Power Shelves: Die Netztransformation wird in zentrale Gleichrichtersysteme oder an den Reihenanfang ausgelagert.
• Standardisierte Busbar-Schnittstellen: Genormte Kupfer-Stromschienen an der Rack-Rückseite ersetzen komplexe Kabelbäume. Server-Einschübe klinken per Blind-Mate-Steckkontakt direkt ein.
• Erweiterte DC-MHS-Standards: Das Data Center Modular Hardware System garantiert mit genormten Schnittstellen (wie M-PIC und DC-SCM) die Interoperabilität zwischen Systemkomponenten verschiedener Hersteller.
• Sicherheits- und Schutzeinrichtungen: Da Gleichstrom im Gegensatz zu Wechselstrom keinen natürlichen Nulldurchgang besitzt, schreiben die Standards spezielle elektronische Schutzschalter (Solid-State Circuit Breakers) sowie eine erweiterte Lichtbogenerkennungen vor.

Regulatorisch fällt die Spezifikation von 800 VDC in die Kategorie „Niederspannung“ (Low Voltage); im DC-Bereich umfasst diese Kategorie Spannungen bis 1500 Volt. Das vereinfacht zudem die rechtlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen gegenüber Hochspannungsanlagen und hält zugleich die Option für künftige Spannungserhöhungen offen.

Erste vollintegrierte Racks sind für Anfang 2027 angekündigt.

Technische Implementierung und Herausforderungen

Die Spezifikation sieht im Wesentlichen zwei Wege zur Bereitstellung vor:

• Side Power Racks: Diese Lösung eignet sich für bestehende AC-Rechenzentren. Ein separates Rack wandelt die standardmäßige 400-Volt-Drehstromversorgung mittels Leistungselektronik direkt am Rack in 800 VDC um (±400 V oder +800 V). Die restliche AC-Infrastruktur bleibt unverändert.
• Zentrale Gleichrichtung: Bei Neubauten wird die gelieferte Mittelspannung (10 bis 30 kV) zentral transformiert und gleichgerichtet. Die Verteilung erfolgt hocheffizient über drei DC-Leiter (Pluspol, Masse, Schutzleiter). Batteriespeicher (BESS) sowie Solarzellen können direkt angekoppelt werden.

Eine Renaissance erleben in diesem Zuge Solid-State-Transformatoren (SST) – eine bereits in den 1970er Jahren von GE patentierte Technologie. Durch die hochfrequente Transformation (bis zu 30.000 Hz) mittels Halbleitertechnologie lassen sich Transformatoren um 70 bis 80 Prozent kleiner und leichter bauen als klassische 50-Hz-Modelle.

Die größte verfahrenstechnische Herausforderung bei Gleichspannung liegt im Fehlen eines natürlichen Nulldurchgangs. Beim Trennen von Stromkreisen unter Last drohen stehende Lichtbögen. Schaltanlagen, Schalter und Sicherungen müssen daher speziell für eine schnelle Lichtbogenlöschung konstruiert sein, um sicheres Schalten und den Austausch von Komponenten im laufenden Betrieb zu garantieren.

Worauf müssen Beschaffer von RZ-IT achten?

Für Betreiber bringt die Implementierung der OCP-Standards fundamentale Veränderungen mit sich. Im Neubau (Greenfield) entfaltet Gleichstrom sein volles Potenzial: Gebäudepläne werden schlanker, da riesige USV-Räume und Wechselstrom-Verteilungen entfallen oder deutlich kleiner ausfallen. Die Kombination aus DC-Netz und Flüssigkeitskühlung (Direct-to-Chip Liquid Cooling) entwickelt sich zum neuen Goldstandard für KI-Rechenzentren.

In Bestandsbauten (Brownfield) ist eine Komplettumrüstung hingegen oft wirtschaftlich unrentabel. Betreiber setzen hier auf hybride Ansätze: Während die Bestandsinfrastruktur auf Wechselstrom verbleibt, werden neue KI-Cluster als dedizierte DC-Inseln realisiert. Diese modular aufgebauten DC-Rows erhalten eine eigene Gleichstromspeisung auf Reihenebene, ohne die gesamte Gebäudetechnik umbauen zu müssen.

Für Beschaffer, Planer bzw. Architekten von IT- und RZ-Infrastruktur leiten sich aus diesem Technologiewandel konkrete Anforderungen ab:

• Kompatibilität prüfen: Proprietäre Gleichstromlösungen einzelner Anbieter bergen das Risiko eines Vendor Lock-ins. Beschaffer sollten sicherstellen, dass Komponenten den OCP-Spezifikationen entsprechen und strikt auf OCP-konforme Formfaktoren (wie ORv3 oder DC-MHS) achten, um proprietäre Insellösungen zu vermeiden.
• Einsatzszenario abwägen: Für kurzfristige Erweiterungen bestehender AC-Strukturen sind Side-Power-Racks die optimale Brückentechnologie. Power Shelves müssen sich flexibel erweitern lassen (z. B. N+1- oder N+2-Redundanz), damit spätere Aufrüstungen von Rechenknoten ohne Austausch der Stromschienen gelingen.
• Langfristig planen: Bei Neubauprojekten mit Grundsteinlegung ab Mitte/Ende 2027 sollte eine native 800-VDC-Infrastruktur von Beginn an mit dem Elektroplaner evaluiert werden. Komponenten wie Steckverbinder, Busbars und Trennschalter müssen den einschlägigen internationalen Normen (wie IEC-Standards für DC-Anwendungen) entsprechen.
• Sicherheitskonzepte anpassen: Herkömmliche AC-Schutzmaßnahmen sind ungeeignet. Es müssen u. a. DC-spezifische Schutzschalter beschafft und das Betriebspersonal für Arbeiten an Hochstrom-Gleichspannungssystemen qualifiziert werden. Schulungsaufwände, angepasste Wartungsprotokolle und spezielle Schutzausrüstungen müssen bereits in die Gesamtkostenrechnung (TCO) einkalkuliert werden.
• Lieferketten-Reife prüfen: Beschaffer sollten vorab die Verfügbarkeit des gesamten Ökosystems – von Server-Mainboards über Speicherarrays bis hin zu Kühlsystemen – am Markt gründlich bewerten.

Fazit

Der Umstieg auf Gleichstrom ist kein vorübergehender Trend, sondern eine logische Konsequenz der fortschreitenden Verdichtung von Rechenleistung. Durch die Standardisierungsarbeit des Open Compute Projects verliert Gleichstrom seinen Status als Nischentechnologie. Betreiber und Beschaffer gewinnen eine hocheffiziente, skalierbare Architektur, um die immensen Anforderungen des KI-Zeitalters wirtschaftlich und nachhaltig zu bewältigen.