Hans Hasselby-Andersen, CEO von Lotus Microsystems – Interviewreihe

Hans Hasselby-Andersen ist CEO von Lotus Microsystems und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Halbleiterbranche – als Gründer, Führungskraft, Vorstandsmitglied und Investor. Er gründete Merus Audio und führte das Unternehmen bis zu seiner Übernahme durch Infineon im Jahr 2018. Außerdem hatte er Führungspositionen bei Texas Instruments, Infineon, Toccata Technology und Nokia inne. Im Mittelpunkt seiner Arbeit stand, energieeffiziente Halbleitertechnologien auf den Markt zu bringen.

Lotus Microsystems ist ein in Kopenhagen ansässiges fabless Halbleiterunternehmen, das integrierte Spannungswandler und Stromversorgungslösungen für anspruchsvolle Elektronik entwickelt. Die Power-Interposer-Technologie des Unternehmens auf Siliziumbasis verbindet Spannungswandlung mit Wärmemanagement, unter anderem über die vertikale Stromversorgungsplattform vStrata für KI und Hochleistungsrechnen. In diesem Interview spricht Hasselby-Andersen über Energieverluste auf Serverebene, die Grenzen herkömmlicher Stromversorgungsarchitekturen und darüber, warum Stromversorgung, Kühlung und Halbleitergehäuse zunehmend gemeinsam entwickelt werden müssen.

Ihre berufliche Laufbahn führte Sie von drahtlosen Systemen bei Nokia über die Halbleiterentwicklung bei Texas Instruments und die Gründung von Merus Audio, das Sie bis zur Übernahme durch Infineon führten, bis zu Ihrer heutigen Tätigkeit an der Spitze von Lotus Microsystems. Wie hat diese Erfahrung Ihre Sicht auf die Herausforderungen bei Stromversorgung und Wärmemanagement geprägt, die sich in der heutigen KI-Infrastruktur abzeichnen?

Ich bin eher zufällig in die Halbleiterbranche geraten. Ein Start-up, für das ich tätig war, wurde von Texas Instruments übernommen. Dadurch erhielt ich Einblicke darin, wie Chips entwickelt, hergestellt und auf den Markt gebracht werden. Ich war selbst kein Chipdesigner, habe aber sehr viel über die Branche gelernt.

Als ich später Merus Audio gründete, war der Auslöser eine klar erkannte Marktlücke: Bei drahtlosen Lautsprechern mussten die Leistungsverluste verringert und die Akkulaufzeit verlängert werden. Daraufhin konzentrierte ich mich darauf, die richtigen Mitarbeiter und Technologien zu gewinnen, um dieses Problem anzugehen.

Nachdem Merus von Infineon übernommen worden war, verbrachte ich einige Zeit außerhalb der Halbleiterbranche. Schließlich wurde mir jedoch klar, dass ich in dieser Branche arbeiten wollte. An Lotus Microsystems reizte mich, dass sich das Gründerteam auf drei grundlegende Aspekte seiner fortschrittlichen Stromversorgungstechnologie konzentrierte: Energieeffizienz, Baugröße und Wärmeleistung. Diese Herausforderungen verschwinden bei der Stromversorgung nie ganz, unabhängig vom Anwendungsbereich. Durch KI sind sie jedoch besonders dringlich geworden.

Die Prozessorentwicklung macht außergewöhnliche Fortschritte, doch all diese Rechenleistung bringt ganz reale physikalische Einschränkungen mit sich. Meine Erfahrung hat mich gelehrt, dass es ebenso wertvoll sein kann, diese weniger sichtbaren Probleme zu lösen, wie die Technologie weiterzuentwickeln, die im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit steht.

Bei Gesprächen über KI-Infrastruktur geht es häufig vor allem um GPU-Leistung, Netzwerke und Kühlung. Warum ist Ihrer Ansicht nach gerade die Stromversorgung eine der wichtigsten Einschränkungen für die weitere Skalierung von KI-Systemen?

Wir sprechen viel darüber, wie viel Rechenleistung eine GPU liefern kann, aber deutlich weniger darüber, wie sich ihr effizient genug Strom zuführen lässt. Moderne KI-Beschleuniger benötigen bei sehr niedrigen Spannungen Ströme von mehreren tausend Ampere, und ihr Leistungsbedarf kann sich je nach Arbeitslast nahezu augenblicklich ändern. Herkömmliche Stromversorgungssysteme wurden nicht für eine derartige Belastung entwickelt. Man kann den fortschrittlichsten Prozessor der Welt haben – wenn sich der benötigte Strom nicht stabil bereitstellen lässt, kann er sein volles Potenzial nicht entfalten. Deshalb wird die Stromversorgung zu einem immer wichtigeren Faktor bei der Skalierung von KI.

Wenn Betreiber von Rechenzentren über Energieeffizienz sprechen, richtet sich viel Aufmerksamkeit auf Kühlsysteme und Kennzahlen für die gesamte Anlage. Wie viel Strom geht tatsächlich im Server verloren, bevor er den Prozessor erreicht, und warum hat dieses Thema bislang vergleichsweise wenig Beachtung gefunden?

Es gibt keinen einzelnen Wert, der für jeden Server gilt, aber die Verluste können beträchtlich sein. Bei bestimmten Architekturen mit hohen Strömen schätzen wir, dass in den letzten Stufen der Stromversorgung zum Prozessor etwa 7–10 % der Leistung verloren gehen können. Diese Energie trägt nicht zu Berechnungen bei, sondern wird in Wärme umgewandelt, die anschließend abgeführt werden muss. Wenn Tausende Prozessoren rund um die Uhr in Betrieb sind, werden selbst vergleichsweise geringe Ineffizienzen sehr kostspielig.

Ein Grund dafür, dass dieses Thema übersehen wurde, ist die herkömmliche Art, die Effizienz von Rechenzentren zu messen. Die Kennzahl Power Usage Effectiveness (PUE) hat sich als Branchenstandard etabliert und ist hilfreich, um den Anlagenoverhead zu erfassen, einschließlich Kühlung und Stromverteilung. Sie zeigt jedoch nicht, wie effizient der Strom innerhalb des Servers selbst umgewandelt und bereitgestellt wird.

Ich will nicht sagen, dass die Effizienz der Kühlung unwichtig wäre – sie ist absolut wichtig. Es ist jedoch etwas widersinnig, enorme Summen für die Wärmeabfuhr auszugeben, ohne ausreichend darauf zu achten, woher ein Teil dieser vermeidbaren Wärme stammt. Wir sollten versuchen, solche Verluste von vornherein zu verhindern.

Welche Einschränkungen herkömmlicher Stromversorgungsarchitekturen auf Platinenebene zeichnen sich ab, wenn GPUs und andere KI-Beschleuniger immer mehr Strom verbrauchen?

Das Problem wird deutlicher, wenn man sich ansieht, wie der Strom tatsächlich zu einer GPU gelangt. Bei einem herkömmlichen Design befinden sich die Stromwandler neben dem Prozessor, und der Strom fließt horizontal über die Leiterplatte zu ihm. Diese Entfernung mag unbedeutend erscheinen, doch wenn Tausende Ampere fließen, ist selbst ein geringer Widerstand von Bedeutung. Die ohmschen Verluste steigen mit dem Quadrat der Stromstärke. Das bedeutet: Wird die Stromstärke bei gleichbleibendem Widerstand verdoppelt, vervierfachen sich diese Verluste.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, rasch auf Veränderungen des Strombedarfs zu reagieren und zugleich eine stabile Spannung aufrechtzuerhalten. Ingenieure können dem durch zusätzliche Kondensatoren und andere Bauteile entgegenwirken, doch solche Lösungen beanspruchen wertvollen Platz. Irgendwann ist es sinnvoller, die Architektur zu überdenken, als das bestehende Design immer weiter zu ergänzen.

Welche Änderungen bei der Stromversorgung vom Serverrack bis zum Prozessor sind nötig, wenn die Branche die Rechendichte weiter erhöhen möchte, ohne untragbare thermische Probleme oder Effizienzprobleme zu verursachen?

Auf Rack-Ebene gibt es bereits zahlreiche Innovationen, darunter den Übergang zu einer Stromverteilung mit höherer Spannung. Das ist wichtig, denn bei höheren Spannungen lässt sich Strom mit geringerer Stromstärke übertragen, wodurch die Verluste über größere Entfernungen sinken. Letztlich muss dieser Strom jedoch weiterhin auf die sehr niedrigen Spannungen umgewandelt werden, die Prozessoren benötigen. Und genau dort liegen einige der schwierigsten Herausforderungen.

Eine der vielversprechendsten Entwicklungen ist die vertikale Stromversorgung: Dabei wird die Stromumwandlung direkt unter dem Prozessor angeordnet, statt daneben. Ein kürzerer Strompfad trägt dazu bei, Verluste zu verringern und die Reaktionszeiten zu verbessern. Zugleich entsteht dadurch eine eigene Herausforderung: Wärme erzeugende Bauteile rücken deutlich näher zusammen. Damit sich solche Architekturen in großem Maßstab umsetzen lassen, müssen wir aufhören, Stromversorgung, Wärmemanagement und Packaging als voneinander getrennte technische Aufgaben zu behandeln. Sie müssen von Anfang an gemeinsam ausgelegt werden.

Lotus Microsystems hat vor Kurzem seine Plattform für vertikale Stromversorgung vStrata vorgestellt. Welches Problem soll die vertikale Stromversorgung lösen, und worin unterscheidet sich dieser Ansatz von den herkömmlichen Stromversorgungsarchitekturen, die heute in KI-Servern zum Einsatz kommen?

Die Grundidee der vertikalen Stromversorgung ist relativ einfach. Statt enorme Stromstärken horizontal über eine Leiterplatte zu leiten, wird die Stromquelle direkt unter dem Prozessor angeordnet. Dadurch verkürzt sich der Strompfad erheblich, was Verluste verringert und dem System hilft, schneller auf Änderungen des Strombedarfs zu reagieren.

Doch es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der bloßen Annäherung der Stromversorgung an den Prozessor und einer umfassenden Lösung des Problems. Gleichzeitig konzentriert sich die Wärme auf kleinerem Raum, unmittelbar neben Bauteilen, die ohnehin schon einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt sind. Wird das nicht berücksichtigt, droht ein neuer Engpass, während der ursprüngliche behoben wird.

Genau das wollten wir mit vStrata angehen. Unsere proprietäre Siliziumtechnologie Power Interposer Technology ermöglicht eine vertikale Stromversorgung und integriert zugleich das Wärmemanagement in dieselbe Architektur. Unser erstes Modul, der LSC0580, ist auf einen Wirkungsgrad am Verbraucher von bis zu 96 % ausgelegt; in optimierten Konfigurationen kann die Temperatur um bis zu 25 °C sinken. Ziel ist nicht einfach, höhere Stromstärken zu übertragen, sondern Rechenzentren dabei zu helfen, auf derselben physischen Fläche mehr nutzbare Rechenleistung bereitzustellen und zugleich den dafür erforderlichen Aufwand für Stromversorgung und Kühlung zu verringern.

In der KI-Branche wird oft angenommen, dass künftige Leistungssteigerungen auf bessere Chips oder fortschrittlichere Halbleiterprozesse zurückzuführen sein werden. Könnten Verbesserungen der Stromversorgungsarchitektur für die KI-Leistung letztlich ebenso wichtig sein wie Fortschritte bei den Prozessoren selbst?

Auf jeden Fall. Die theoretische Leistung eines Prozessors ist nur dann von Nutzen, wenn das umgebende System seinen Betrieb auf diesem Niveau ermöglicht. Kann die Stromversorgung mit dem Bedarf nicht Schritt halten oder zwingt übermäßige Wärme das System dazu, die Leistung zu drosseln, bekommt man nicht das, wofür man bezahlt hat. Interessant ist, dass eine bessere Stromversorgungsarchitektur dazu beitragen kann, mit vorhandener Hardware mehr anhaltende Leistung freizusetzen, ohne dass der Prozessor selbst unbedingt verändert werden muss. Ich würde das nicht als Entscheidung zwischen besseren Chips und einer besseren Infrastruktur darstellen. Wir brauchen beides, und ich gehe davon aus, dass ihr Zusammenspiel zunehmend an Bedeutung gewinnen wird.

KI-Rechenzentren belasten bereits heute die Stromnetze auf der ganzen Welt erheblich. In welchem Umfang könnten Verbesserungen bei der Stromumwandlung und -versorgung auf Serverebene den gesamten Energiebedarf einer umfangreichen KI-Infrastruktur senken?

Das Potenzial ist beträchtlich. Eine einzelne Zahl lässt sich jedoch nur schwer nennen, da die Auswirkungen von der Architektur und der Größe der Anlage abhängen. Eine Verbesserung um einen Prozentpunkt in einer Umwandlungsstufe führt nicht automatisch zu einer ebenso großen Senkung des gesamten Stromverbrauchs eines Rechenzentrums.

Doch bedenken Sie, was geschieht, wenn sich selbst moderate Effizienzsteigerungen auf Tausende von Prozessoren übertragen, die ununterbrochen laufen. Das kann erhebliche Einsparungen bei Energieverschwendung, Betriebskosten und Investitionsausgaben sowie eine deutliche Verringerung der Wärmemenge bedeuten, die Kühlsysteme abführen müssen. Das ist besonders wertvoll, wenn die Netzkapazität bereits einschränkt, wo und wie schnell neue Rechenzentren gebaut werden können.

Anders ausgedrückt: Die umweltfreundlichste Energie ist die, die man gar nicht erst verbraucht. Es wurde enorm viel darauf verwendet, mehr Strom für den Ausbau der KI bereitzustellen – was verständlich ist. Doch wir sollten uns ebenso dafür interessieren, den bereits verfügbaren Strom besser zu nutzen.

Da sich KI-Hardware hin zu leistungsstärkeren GPUs, maßgeschneiderten Beschleunigern und zunehmend hochverdichteten Computersystemen entwickelt: Auf welche technischen Engpässe werden Leistungselektronik-Ingenieure Ihrer Meinung nach in den kommenden Jahren stoßen?

Der Strombedarf wird weiter steigen, und die damit verbundenen Herausforderungen zeichnen sich bereits ab. Einige KI-Prozessoren benötigen mehrere tausend Ampere; künftige Designs könnten sogar 6.000 oder 8.000 Ampere erreichen. Diese Stromstärke effizient bereitzustellen, ist schon schwierig genug. Die Spannung bei rasch wechselnder Auslastung stabil zu halten, macht die Sache noch komplexer.

Die Branche konzentriert sich außerdem häufig auf die Stromdichte als wichtigstes Maß für Fortschritt. Aus einem kleineren Stromrichter mehr Strom bereitzustellen, ist beeindruckend. Wenn dabei jedoch dieselbe Wärmemenge auf kleinerem Raum entsteht, ist das Gesamtsystem nicht unbedingt besser geworden. Tatsächlich könnte sich das Wärmeproblem dadurch sogar verschärft haben. Ich denke, die größten Fortschritte werden den Ingenieuren gelingen, die Effizienz, Wärmeverhalten, dynamisches Ansprechverhalten und Zuverlässigkeit in Einklang bringen können.

Mit Blick auf die nächste Generation der KI-Infrastruktur: Welche Veränderungen bei Stromversorgung, Kühlung, Halbleitergehäusen und Systemarchitektur sind notwendig, um einen weiteren deutlichen Anstieg der KI-Rechenkapazität zu ermöglichen?

Ich gehe davon aus, dass Stromversorgung und Prozessor selbst deutlich enger integriert werden. Die vertikale Stromversorgung ist ein wichtiger Schritt, aber ich glaube nicht, dass die Entwicklung dort endet. Wir arbeiten bereits an dünneren Stromversorgungsmodulen, die sich in Leiterplatten einbetten lassen, und langfristig an Architekturen, bei denen mehr Funktionen der Stromversorgung direkt in xPU-Gehäuse integriert sind. Mit jedem Schritt rückt die Stromversorgung näher an den Ort, an dem der Strom tatsächlich verbraucht wird.

Die Kühlung muss sich parallel zu diesen Veränderungen weiterentwickeln. Flüssigkeitskühlung wird für hochverdichtete Computersysteme immer wichtiger. Doch die Wärmeabfuhr zu verbessern, ist nur ein Teil der Lösung. Wir müssen auch weniger unnötige Wärme erzeugen und bessere Wege finden, sie in unmittelbarer Nähe ihrer Quelle abzuführen.

Die größte Veränderung betrifft vielleicht die Entwicklung dieser Systeme. Traditionell wurden verschiedene Teile der Hardware oft bis zu einem gewissen Grad unabhängig voneinander optimiert. Bei den angestrebten Leistungsniveaus wird das zunehmend schwieriger. Chiphersteller, Spezialisten für Leistungselektronik, Gehäuseentwickler und Systemdesigner müssen viel enger zusammenarbeiten. Jahrelang haben wir die Grenzen einzelner Prozessoren ausgereizt. In der nächsten Phase der KI-Infrastruktur wird es jedoch darum gehen, sicherzustellen, dass das gesamte System die Leistungsfähigkeit dieser Prozessoren unterstützen kann.

Vielen Dank für das großartige Interview. Leserinnen und Leser, die mehr über vertikale Stromversorgung und Wärmemanagement für KI-Infrastrukturen erfahren möchten, finden weitere Informationen bei Lotus Microsystems.