Phasenausgleich über KI-Racks hinweg: Warum es zählt und was wirklich funktioniert

Eine 32-A-Drehstromeinspeisung sieht auf dem Papier nach reichlich Reserve aus. 32 A × 400 V × √3 = ~22 kW. Damit lassen sich vier Kentino KI-Server mit je acht GPUs unter Dauerlast betreiben, und es bleibt sogar Luft. Warum also löst bei der Hälfte aller selbst gebauten KI-Labore schon im ersten Monat ein Leitungsschutzschalter aus?

Die Antwort heißt fast immer Phasensymmetrie – genauer gesagt: deren Fehlen. Die Gesamtlast des Racks ist unkritisch. Eine einzelne Phase dagegen glüht.

In diesem Artikel geht es darum, wie sich Drehstrom in einem Rack voller KI-Server tatsächlich verteilt, warum KI-Workloads das Symmetrieproblem auf ganz eigene Weise verschärfen und was Sie auf Ebene der PDU-Steckdosen tun können, damit der Leitungsschutzschalter Sie nicht mehr überrascht.

Die Rechnung in Kürze

Für eine symmetrische Sternlast mit der Außenleiterspannung Vll und der Gesamtwirkleistung Ptot bei einem Leistungsfaktor PF gilt:

I_line  =  P_tot  /  (V_ll × √3 × PF)

Bei einer europäischen 400-V-Einspeisung mit PF = 0.98 und symmetrischen 20 kW ergibt sich: I_line = 20 000 / (400 × 1.732 × 0.98) ≈ 29.5 A. Das passt zu einem 32-A-Schutzschalter. Jede Phase führt rund 29.5 A, der Neutralleiter nahezu nichts.

Verteilen Sie dieselben 20 kW dagegen ungleichmäßig – 12 kW auf L1, 5 kW auf L2, 3 kW auf L3:

In Summe sind es weiterhin 20 kW. Den 32-A-Schutzschalter interessiert die Summe aber nicht – ihn interessiert nur, welche einzelne Phase zuerst auslöst. L1 liegt bei 165 % des Bemessungsstroms und löst aus. Die beiden anderen Phasen lagen brach.

Eine unsymmetrische Last verschenkt nicht nur Kapazität, sie verwandelt teuer bezahlte Reserve in eine Abschaltung mit Ansage.

Das Problem des Neutralleiterstroms

Dreiphasige Sternsysteme führen einen vierten Leiter mit – den Neutralleiter –, der die vektorielle Summe der drei Phasenströme zurückführt. Bei perfekt symmetrischer linearer Last heben sich die drei um 120° versetzten Ströme auf, und der Neutralleiter führt null. Bei Unsymmetrie führt er alles, was sich nicht aufhebt.

Eine brauchbare Näherung für den Neutralleiterstrom bei unsymmetrischer linearer Last:

I_N  =  √( I_R² + I_Y² + I_B² − I_R·I_Y − I_Y·I_B − I_B·I_R )

Für unser Beispiel mit 53/22/13 A ergeben sich rund 35 A im Neutralleiter. In einer Verteilung, deren Neutralleiter auf den Bemessungsstrom der Phasen ausgelegt ist, sind 35 A bei 32 A Phasenbemessung unangenehm. In einer Verteilung mit unterdimensioniertem Neutralleiter – Altbestand, Nachrüstung oder schlicht die Annahme symmetrischer Last – findet man genau hier die geschmolzene Isolierung.

Die ehrliche Schlussfolgerung: In jedem KI-Rack, das diesen Namen verdient, muss der Neutralleiter mindestens denselben Querschnitt haben wie die Außenleiter, besser noch einen größeren. Im Abschnitt zum K-Faktor kommen wir darauf zurück, denn nichtlineare Lasten verschärfen das Ganze.

Warum KI-Workloads das stärker belasten als klassische IT

Ein klassisches Enterprise-Rack – Webserver, Datenbanken, ein paar Netzwerk-Switches – trägt eine Last, die statistisch über die Maschinen hinweg unkorreliert ist. Die CPU von Server A lastet in diesem Moment aus, die von Server B im nächsten, der Mittelwert über das Rack verläuft glatt, und die Aufteilung auf drei Phasen funktioniert näherungsweise, weil sich die zufälligen Schwankungen ausgleichen.

KI-Workloads brechen diese Annahme auf zwei ganz bestimmte Arten.

Synchron korrelierte Last. Verteiltes Training führt denselben Schritt auf jeder GPU zur selben Zeit aus. Ein Backward-Pass startet auf allen acht GPUs eines Servers gleichzeitig. Trainieren Sie über vier Knoten hinweg, erreichen alle 32 GPUs gemeinsam die All-Reduce-Phase und gehen anschließend gemeinsam in den nächsten Forward-Pass. Die Last ist kein geglätteter Mittelwert – sie ist ein Rechtecksignal mit der Frequenz der Trainingsschritte, je nach Modell etwa 0.5–5 Hz.

Hängen alle vier Server an derselben Phase, sieht diese Phase das volle Rechtecksignal. Verteilen Sie die Server auf mehrere Phasen, sieht jede Phase weiterhin dasselbe Rechtecksignal, weil die Schritte synchron laufen. Phasensymmetrierung glättet korrelierte Last nicht. Sie ebnet lediglich den Mittelwert je Phase ein.

Transienten unterhalb einer Netzperiode. Eine einzelne RTX 5090 ist mit 575 W spezifiziert, kann aber kurzzeitig auf 738 W über 5–10 ms, 824 W über 1–5 ms und 901 W in Spitzen unter 1 ms ausschlagen. Ein Kentino KI-Server mit acht GPUs zieht damit im Dauerbetrieb rund 4–4.5 kW, während die Spitze im Millisekundenbereich kurzzeitig über 7 kW liegen kann. Netzteil und Gebäudeverkabelung fangen das meiste davon ab – doch die Spitzen des Stroms sind real, sie verlaufen nicht sinusförmig und pflanzen sich bis zur vorgelagerten PDU fort.

Klassische thermisch-magnetische Leitungsschutzschalter ignorieren solche Transienten unterhalb einer Netzperiode. Moderne hydraulisch-magnetische und elektronische Schalter tun das nicht immer; manche lösen auf den momentanen Spitzenwert aus, nicht auf den Effektivwert. Wenn Ihr Schutzschalter bei bestimmten Trainingsphasen wiederholt auslöst, das Rack im Mittel aber innerhalb seiner Bemessung bleibt, sehen Sie die Transientenkurve, nicht den Mittelwert.

Was Phasensymmetrierung leisten kann – und was nicht

Genau deshalb tappen Fachleute aus dem klassischen Rechenzentrumsbetrieb hier gelegentlich in die Falle: In ihrer Welt ist Symmetrierung die ganze Geschichte. Im KI-Rack ist sie notwendig, aber nicht hinreichend.

Symmetrierung auf Ebene der Steckdosen

Die eigentliche Arbeit passiert an den Steckdosen der PDU. Eine dreiphasige 32-A-PDU in 0U-Bauform bietet Steckdosenbänke je Phase. Bei einer PDU mit 30 Ausgängen liegen typischerweise die Steckdosen 1–10 auf L1, 11–20 auf L2 und 21–30 auf L3. Manche PDUs nutzen eine verschränkte Anordnung für ein besseres Kabelmanagement – Steckdosen 1, 4, 7 auf L1; 2, 5, 8 auf L2; 3, 6, 9 auf L3. Professionelle PDUs kennzeichnen die Phasen farblich.

Die Regel ist einfach – und wird ständig missachtet: Verteilen Sie die Server so, dass die Summe der Dauerlast je Phase um höchstens rund 10 % von den übrigen abweicht. Bei identischen Geräten läuft das auf Round Robin hinaus, bei gemischten Lasten auf Bin Packing.

Ein durchgerechnetes Beispiel: dreiphasige 32-A-PDU (~22 kW Bemessung, 17.6 kW im Dauerbetrieb bei 80 %). Wie viele Kentino KI-Server mit acht GPUs (Dauerlast je ~4 kW) passen daran?

Das realistische Budget: Eine einzelne dreiphasige 32-A-Rackeinspeisung trägt etwa drei KI-Server mit acht GPUs – nicht acht. Ein Server mit vier GPUs und rund 2 kW Dauerlast verdoppelt das ungefähr auf sechs Geräte je Stromkreis.

Das überrascht die meisten Laborplaner. Die rechnerische Reserve eines 22-kW-Stromkreises löst sich in Luft auf, sobald Sie Auslösekennlinien, transiente Spitzen und die in den meisten Elektrovorschriften geforderte Abminderung auf 80 % Dauerlast berücksichtigen.

Messen – mit einer PDU mit Messung je Steckdose

Eine einfache PDU liefert Ihnen nichts. Eine messende PDU liefert den Effektivstrom je Phase am Einspeisepunkt. Eine PDU mit Messung je Steckdose liefert den Strom je Ausgang – und genau diese Größe brauchen Sie in der Praxis.

Darauf sollten Sie achten:

• Effektivstrom je Phase, im Zeitverlauf erfasst. Die meisten PDUs mit Messung je Steckdose stellen SNMP oder eine REST-API bereit; sammeln Sie die Werte in Prometheus ein, visualisieren Sie sie in Grafana und alarmieren Sie bei 80 % der Bemessung.
• Spitzenstrom je Phase innerhalb eines Messfensters. Bietet die PDU eine Spitzenwertspeicherung, protokollieren Sie diese; andernfalls tasten Sie mindestens mit 1 Hz ab.
• Unsymmetriegrad – (max − min) / max über die drei Phasen. Unter 10 % ist gut. Über 25 % bedeutet, dass Sie Kapazität verschenken.
• Neutralleiterstrom, sofern die PDU ihn meldet. Liegt der Neutralleiterstrom unter Last über rund 30 % des jeweiligen Phasenstroms, stimmt entweder die Symmetrie oder der Oberschwingungsanteil nicht.

Eine 32-A-PDU ist ein einzelnes Betriebsmittel. Zwei redundante 32-A-PDUs (Einspeisung A und B) verdoppeln zwar die Datenmenge, die Sie im Blick behalten müssen, aber auch die Ausfallsicherheit: Fällt eine Einspeisung aus, laufen Server mit zwei Netzteilen weiter – und die verbleibende PDU muss alles auffangen. Legen Sie genau dafür aus: In einem Rack mit doppelter Einspeisung sollte jede PDU bei rund 40 % der Nennleistung laufen, damit die Umschaltung auf eine Einspeisung innerhalb der Schutzschalterkennlinie bleibt.

Oberschwingungen und der K-Faktor

Jedes Netzteil eines KI-Servers ist ein Schaltnetzteil und damit eine nichtlineare Last: Es zieht den Strom in Impulsen rund um den Scheitel jeder Halbwelle statt als glatte Sinuskurve. Dadurch speist es Oberschwingungsströme ins Netz zurück – in einphasigen Systemen vor allem die 3., 5. und 7., im dreiphasigen Sternsystem die 5., 7., 11. und 13.

Am stärksten schlägt im Drehstromnetz die 3. Harmonische zu Buche: Sie ist eine Triplen- Harmonische. Die Ströme der 3. Harmonischen aus allen drei Phasen treffen also phasengleich am Neutralleiter ein statt um 120° versetzt. Sie addieren sich arithmetisch. Eine symmetrische lineare Last führt nahezu keinen Neutralleiterstrom. Eine symmetrische nichtlineare Last mit hohem Anteil der 3. Harmonischen kann einen Neutralleiterstrom aufweisen, der den Phasenstrom erreicht oder sogar übersteigt.

Genau dafür gibt es K-Faktor-Transformatoren. K-1 bezeichnet einen gewöhnlichen Transformator für lineare Lasten; K-13 ist für einen erheblichen Oberschwingungsanteil ausgelegt; K-20 schreiben ernsthafte KI-Rechenzentren inzwischen vor, weil KI-Cluster praktisch zu 100 % eine nichtlineare Last darstellen – ohne Motoren oder Heizlasten im Mix, die den Oberschwingungsanteil verdünnen würden.

Für ein Labor mit einem einzigen Rack ist das selten Ihr Problem – der Gebäudetransformator sitzt weiter oben und ist auf eine gemischte Last ausgelegt. Wenn Sie dagegen einen KI-Raum mit mehreren Racks in ein bestehendes Gebäude einbauen, fragen Sie Ihren Elektriker: Welche K-Einstufung hat der vorgelagerte Transformator, hat der Neutralleiter mindestens denselben Querschnitt wie die Außenleiter (größer ist besser), und ist die Verteilung für Oberschwingungen ausgelegt? Lautet die Antwort „K-1, gleicher Querschnitt, Standardausführung“, ist das für ein Rack unproblematisch – vor der Erweiterung auf vier sollten Sie es aber erneut prüfen.

Die unbequeme Wahrheit über halb leere Racks

Phasensymmetrierung setzt voraus, dass genug Last zum Verteilen da ist. Ein Rack mit einem Server und zwanzig leeren Höheneinheiten lässt sich nicht symmetrieren – dieser eine Server hängt an der Phase, an der er eben steckt. Die beiden anderen Phasen liegen brach, der Neutralleiter führt den vollen Strom dieses einen Servers, und die dreiphasige 32-A-Einspeisung ist vielleicht zu 8 % ausgelastet, aber zu 100 % unsymmetrisch.

Drei ehrliche Möglichkeiten:

1. Die Unsymmetrie hinnehmen. Es ist ein einzelner Server. Die Verteilung verkraftet das.
2. Auf Einphasenbetrieb umsteigen. Eine einphasige 32-A-Einspeisung mit 230 V liefert rund 7.3 kW – genug für ein oder zwei Server mit vier GPUs. Einfacher, kein Symmetrieproblem, kein Neutralleiterproblem durch Triplen-Harmonische. Die richtige Antwort für ein kleines Labor ohne Wachstumsplan in den nächsten zwölf Monaten.
3. Vorausdenken, voraus verkabeln. Wenn Sie im kommenden Jahr auf sechs oder acht Server wachsen, legen Sie die Drehstromeinspeisung jetzt und symmetrieren Sie sauber, während Sie Server ergänzen. Der Mehrpreis gegenüber einer einphasigen Lösung ist gering – verglichen damit, alles später wieder herauszureißen.

Ein Szenario aus der Praxis

Ein realistisches Labor mittlerer Größe: zwei Racks, insgesamt 8× Kentino KI-Server mit je acht GPUs, dazu Netzwerk, Storage und ein Teststand mit Intel Arc. Dauerlast gesamt rund 35.5 kW (32 kW für die Kentino KI-Flotte, 2.5 kW für den Arc-Teststand, 1 kW für Switches und Storage).

Stromkreisplanung: vier Kentino KI-Server je Rack, jedes Rack an einer dreiphasigen 63-A-Einspeisung (~43.5 kW Bemessung, 34.8 kW im Dauerbetrieb – bequem genug für vier 4-kW-Server samt Peripherie).

Steckdosenbelegung Rack A:

Je Phase: L1 = 4.6 kW (20 A), L2 = 4.2 kW (18 A), L3 = 8 kW (35 A). Unsymmetrisch – zwei Kentino KI-Server teilen sich L3. Bei nur vier Servern pro Rack lässt sich über drei Phasen hinweg keine perfekte Symmetrie erreichen; eine Phase bekommt immer den Überhang. 35 A auf einer 63-A-Einspeisung entsprechen 56 % der Bemessung und liegen damit klar innerhalb der Kennlinie. Also hinnehmen. Rack B spiegelt die Belegung für die übrigen vier Kentino KI-Server und den Arc-Teststand.

Die redundante Doppeleinspeisung entsteht dadurch, dass jeder Server je ein Netzteil an der A- und an der B-Einspeisung zweier physisch getrennter PDUs hat – wie das mit der aufgeteilten, nicht redundanten Leistungsverteilung von KI-Server-Netzteilen zusammenspielt, zeigt W04.

Monitoring: Beide PDUs exportieren Ströme je Phase und je Steckdose per SNMP. Prometheus sammelt alle 15 s, Grafana zeigt den 24-h-Verlauf, und ein Alarm greift, sobald eine Phase länger als >5 min über 80 % der Bemessung liegt oder der Unsymmetriegrad länger als >30 min über 25 % steigt. Diese Glättung ist wichtig – startende und endende Trainingsjobs erzeugen kurzzeitige Unsymmetrien, bei denen ohnehin nichts zu tun ist.

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Dieser Beitrag ist Teil des Kentino Wiki, einer Referenzreihe zu KI-Compute, Robotik und den Systemen, die beides verbinden. Anmerkungen und Korrekturen gern an info@kentino.com.