Même si l'intelligence artificielle (IA) nous permet d'économiser de l'énergie, elle en consomme également beaucoup: l'Agence internationale de l'énergie estime que les centres de données mondiaux consommeront plus de 1 000 térawattheures (TWh) d'électricité en 2026, soit environ l'équivalent de la consommation totale d'électricité du Japon, et plus du double des 460 TWh consommés en 2022.
Centres de données au cœur du système
Les centres de données traditionnels, piliers de la révolution de l’IA, peuvent atteindre une superficie de 93’000 m² et contenir des centaines de racks de matériel (serveurs et routeurs), ainsi que des systèmes de câblage, de refroidissement et de sécurité. Le fonctionnement de tous ces équipements nécessite un ensemble complexe de sous-stations, de transformateurs et d’unités de distribution d’énergie, ainsi que des alimentations doubles et des générateurs sur site, tout ce qui est nécessaire pour assurer la circulation des données 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
Pendant des décennies, un système de distribution d’énergie de 48 volts (V) pouvait alimenter suffisamment de racks de 15 kilowatts (kW) pour répondre aux besoins de traitement et de stockage d’un centre de données type. Aujourd’hui, les architectes système cherchent à concevoir des racks nécessitant une puissance de 600 kW à 1 MW. Fournir 600 kW à 48 V nécessiterait un courant impressionnant de 12 500 ampères, ainsi qu’un volume considérable de câbles et de composants pour le gérer. Par exemple, fournir 1 MW de puissance via un système 48 V traditionnel nécessitant plus de 200 kg de câbles en cuivre, ce qui devient impraticable en raison du volume important et des pertes d’énergie potentielles.
Les leaders du secteur, notamment le géant des puces IA Nvidia, relèvent ce nouveau défi en développant une nouvelle architecture (essentiellement les règles d’organisation et d’assemblage d’un centre) basée sur un système de distribution d’énergie à courant continu haute tension (HVDC) de 800 V.
Dans cette configuration, le courant alternatif (CA) provenant du réseau électrique est converti en courant continu (CC) au niveau du centre de données, près du périmètre des racks. Ensuite, à l’intérieur des racks, des convertisseurs CC-CC à haut rendement équipés de transformateurs à semi-conducteurs (SST) «abaissent» la tension de 800 V aux niveaux appropriés requis par les puces IA au sein des serveurs, augmentant ainsi l’efficacité et la fiabilité globales du système. Le fonctionnement à des niveaux de tension plus élevés peut réduire la quantité de cuivre nécessaire jusqu’à 45%, diminuer les pertes d’énergie en éliminant les multiples conversions CA-CC et CC-CC, et multiplier par cinq l’efficacité énergétique globale par rapport aux méthodes 48 V conventionnelles.
800 VDC power distribution in next-generation AI factories
Cette migration plus large vers l’architecture HVDC 800 V ouvrira certainement de nouvelles opportunités de croissance pour les acteurs clés à chaque étape du réseau de distribution d’électricité:
- Transformateurs à semi-conducteurs. Le marché des SST devrait connaître une croissance annuelle de 32% pour atteindre près d’un milliard de dollars d’ici 2030, sous l’impulsion d’acteurs majeurs tels que Eaton, GE Vernova, Schneider Electric, Siemens, Delta Electronics et de start-ups innovantes comme DG Matrix, qui a récemment reçu un investissement d’ABB.
- Technologie des supercondensateurs hybrides. Les HSC, développés par Flex et Musashi Seimitsu, permettent un stockage et une libération rapides de l’énergie, ce qui permet aux racks de serveurs IA de gérer les pics de demande d’énergie et d’assurer des performances stables à des niveaux de tension plus élevés. Le marché mondial des supercondensateurs connaît une croissance de 19% par an et devrait atteindre 9,6 milliards de dollars d’ici 2032.
- Puces semi-conductrices en nitrure de gallium. Les puces GaN sont utilisées dans les convertisseurs CC-CC à haut rendement pour abaisser la tension aux niveaux appropriés requis par les processeurs IA. Développées par des fabricants de puces tels qu’Infineon, Navitas, Renesas, ST Microelectronics et Innoscience, ces puces augmentent la densité de puissance tout en réduisant l’empreinte des centres de données. Le marché des dispositifs de puissance GaN devrait croître de 49% par an et atteindre 4,4 milliards de dollars d’ici 2030.
Alors que les applications d’IA continuent d’exiger une puissance de calcul toujours plus importante, les grands acteurs technologiques et les gouvernements explorent des stratégies évolutives pour répondre à des besoins énergétiques croissants. Le gouvernement américain publie des décrets visant à relancer l’énergie nucléaire tandis que les géants Meta, Microsoft et Google signent des contrats d’approvisionnement en énergie propre d’une durée de 20 ans.
NVIDIA, encore…
NVIDIA mène la transition vers une infrastructure d’alimentation électrique de 800 VCC pour les centres de données afin de prendre en charge des racks informatiques de 1 MW et plus, à partir de 2027. Pour accélérer l’adoption, NVIDIA collabore avec des partenaires industriels clés de l’écosystème électrique des centres de données, notamment:
- Fournisseurs de silicium : Analog Devices, Infineon, Innoscience, MPS, Navitas, OnSemi, Renesas, ROHM, STMicroelectronics, Texas Instruments
- Composants de systèmes d’alimentation : Delta, Flex Power, Lead Wealth, LiteOn, Megmeet
- Systèmes d’alimentation pour centres de données : Eaton, Schneider Electric, Vertiv
Cette initiative stimulera les innovations visant à mettre en place une alimentation électrique hautement efficace et évolutive pour les charges de travail IA de nouvelle génération, afin de garantir une plus grande fiabilité et une complexité réduite des infrastructures.
Principaux avantages du 800 VCC
Évolutivité : prend en charge des racks allant de 100 kW à plus de 1 MW en utilisant la même infrastructure d’alimentation du centre de données, ce qui permet une expansion transparente.
Efficacité : améliore l’efficacité de bout en bout jusqu’à 5% par rapport aux systèmes 54 V actuels, garantissant une meilleure utilisation de l’énergie.
Réduction de la quantité de cuivre : par rapport aux architectures traditionnelles 415 VCA ou 480 VCC, le 800 VCC permet de réduire considérablement le courant, la quantité de cuivre utilisée et les pertes thermiques dans l’infrastructure du centre de données.
Fiabilité : les blocs d’alimentation traditionnels des racks informatiques dépendent d’un surdimensionnement pour réduire les temps d’arrêt, mais cela entraîne des cycles de maintenance fréquents pour remplacer les modules défaillants. Si la centralisation de la conversion d’énergie améliore la fiabilité du système, la détection des pannes et la facilité d’entretien des systèmes VCC constituent un domaine clé pour l’innovation. Les contraintes d’espace dans les alimentations électriques des racks informatiques contribuent aux problèmes thermiques, créant des compromis entre le coût et la fiabilité à long terme. Le fait de déplacer la conversion d’énergie hors du rack atténue ces risques.
Pérennité : Conçu pour répondre aux exigences des racks de 1 MW, avec la possibilité d’évoluer efficacement vers des racks encore plus puissants à mesure que les besoins des centres de données évoluent.
Conclusion
Rien ne semble arrêter le développement de l’Intelligence Artificielle, que ce soit au niveau des applications ou de l’infrastructure. Ce qui importera pour l’investisseur ce sera le difficile calcul des évaluations boursières des différents titres du secteur de la technologie.
Source : Neuberger Berman, developer.nvidia.com