Dimensionado de magnetotérmicos y corriente de arranque en servidores de IA

La queja que más nos llega tras instalar un servidor de IA es alguna variante de «el magnetotérmico salta constantemente». Aproximadamente la mitad de las veces el rack está bien de media —las GPU funcionan, el BMC sigue activo, las gráficas SNMP tienen buen aspecto— y, aun así, en momentos impredecibles el cuadro salta y la sala se queda a oscuras. Con menos frecuencia quien salta es el diferencial (RCD), lo que resulta aún más frustrante porque la carga parece equilibrada y los equipos parecen sanos.

Según nuestra experiencia, ninguno de los dos síntomas suele deberse a una sobrecarga. Aproximadamente la mitad de las veces se trata de la curva de disparo equivocada del magnetotérmico: normalmente un automático de curva B instalado por un electricista que dio por hecho que la computación de IA se comporta como la informática de oficina. En torno al 30% de las veces es el tipo de diferencial equivocado, cuando se pide a un dispositivo de tipo AC o de tipo A que discrimine fugas con componente de continua procedentes de un conjunto de fuentes de alimentación de servidor con PFC. El 20% restante sí es una sobrecarga real, casi siempre en el instante en que varias fuentes de alimentación arrancan en frío de forma sincronizada y el perfil de corriente de arranque supera brevemente cualquier valor que el consumo medio permitiera prever.

Este artículo es el complemento eléctrico de W04 (dimensionado de la fuente de alimentación) y P02 (tipos de PDU). Explica qué significan realmente las curvas de disparo según la IEC 60898, el comportamiento real en arranque de las fuentes que suministramos, cuándo entra en juego el derrateo del 80% por carga continua y qué tipo de diferencial especificar para un rack de fuentes conmutadas de servidores de IA. Al final encontrará ejemplos prácticos para una configuración de 4 GPU 5090 y otra de 8 GPU.

Qué mide realmente un magnetotérmico: dos mecanismos de disparo en un solo dispositivo

Todo interruptor automático modular conforme a la IEC 60898 integra dos mecanismos de protección en la misma carcasa.

El elemento térmico es una lámina bimetálica que se calienta con la corriente a lo largo de muchos segundos. Reproduce el perfil I²t que determina si un cable se está sobrecalentando. Según la IEC 60898, los puntos térmicos convencionales son: a 1.13 × la corriente nominal del automático (In) el dispositivo no debe dispararse dentro del tiempo convencional (normalmente > 1 hora para calibres ≤ 63 A), y a 1.45 × In sí debe dispararse dentro del tiempo convencional. Esta es la parte que protege el cable frente a una sobrecarga sostenida.

El elemento magnético es una bobina electromagnética que abre los contactos en una fracción de semiciclo cuando la corriente supera un umbral fijo. Es la parte que protege frente a cortocircuitos y la que decide si la corriente de arranque de su servidor de IA es «un pico breve, sin problema» o «disparo, hasta mañana».

La letra de la curva de disparo (B, C, D) indica la banda del umbral magnético. La característica térmica es idéntica en todas las curvas para un mismo In; solo cambia el punto magnético.

Para un automático de 16 A los umbrales magnéticos son, aproximadamente: un B16 dispara por encima de 48–80 A; un C16, por encima de 80–160 A; un D16, por encima de 160–320 A. El punto exacto dentro de cada banda depende del fabricante y de la temperatura.

La mayoría de los edificios residenciales y de pequeño comercio de la UE se entregan con automáticos de curva B por defecto. Esa elección es correcta para tomas de oficina, iluminación y cargas resistivas. Es el valor por defecto equivocado para un circuito de servidor de IA, por los motivos que vamos a repasar a continuación.

Comportamiento real de la corriente de arranque: lo que las fichas técnicas minimizan

Cuando una fuente de alimentación de servidor se conecta y se enciende en frío, la primera tarea de la etapa de entrada es cargar los condensadores de bulk del lado de continua. Suelen ser de 470 µF a 2200 µF con tensión nominal de 400 V o 450 V, situados tras el puente rectificador. Partiendo de descarga total se comportan casi como un cortocircuito frente a la red de alterna durante unos cientos de microsegundos, hasta que la tensión en el condensador se aproxima al pico de la tensión de red.

El mecanismo que emplean la mayoría de las fuentes decentes es un termistor NTC (coeficiente de temperatura negativo) en serie con la entrada. En frío presenta entre 5 y 20 Ω; la corriente de arranque lo autocalienta en milisegundos, la resistencia cae a un pequeño porcentaje de su valor en frío y el termistor se vuelve prácticamente transparente en régimen permanente. El inconveniente es que un NTC necesita volver a enfriarse tras un ciclo de alimentación: una fuente que acaba de funcionar y se apaga durante diez segundos puede presentar una corriente de arranque casi como si no hubiera limitador, porque el termistor sigue caliente y con baja resistencia.

Los módulos CRPS de categoría servidor suelen añadir un limitador activo de corriente de arranque: un relé o un MOSFET que puentea una resistencia limitadora en cuanto los condensadores de bulk están cargados. Así se combina la protección en arranque en frío de un NTC con la independencia frente al enfriamiento de un conmutador. Los módulos CRPS del rango de 1.6–3 kW suelen comportarse mejor en arranque que las unidades ATX de la misma potencia, en parte porque el circuito activo es estándar y en parte porque la hipótesis de impedancia de fuente (230 V de centro de datos) es más estricta.

Dos consecuencias para el diseño de un rack de IA:

1. El pico de arranque que figura en la ficha técnica se mide a tensión nominal y con una impedancia de fuente «típica». A 245 V (extremo superior de la tolerancia de la UE), en una acometida corta y de baja impedancia desde un cuadro cercano, el pico puede ser 1.5–2× el valor indicado. Hemos medido picos de 180 A en una unidad ATX de 1500 W especificada en 100 A.
2. Varias fuentes que arrancan a la vez suman sus picos de arranque. El ciclo de red es el mismo para todas; si hay cuatro fuentes conectadas al mismo circuito y todas cierran sus interruptores de entrada en el mismo instante, el automático ve aproximadamente 4× el pico de cada fuente. Un servidor con 4× 5090 y dos fuentes ATX de 2 kW (unos 150 A de pico cada una en el peor caso) arranca con un pico breve de unos 300 A. Un automático B16 (umbral magnético de 48–80 A) dispara. Un C16 (80–160 A) dispara en el peor caso. Un C32 (160–320 A) aguanta.

Este es el mecanismo que hay detrás de la queja más frecuente: «mi nuevo servidor de IA hace saltar el magnetotérmico». La carga sostenida no es el problema: lo que dispara es el perfil de corriente en el arranque en frío.

Derrateo por carga continua: la regla del 80% que atrapa a las cargas de trabajo de IA

La práctica en la UE (y el espíritu de la IEC 60364) consiste en reducir la corriente nominal continua de un automático a aproximadamente el 80% de su valor de placa cuando la carga consume corriente de forma sostenida durante más de tres horas. Norteamérica lo codifica en el NEC 210.20(A); Europa lo aplica como buena práctica más que como norma única y rígida, pero la física de fondo —calentamiento del bimetal en el automático, calentamiento del conductor en el cable— es idéntica.

La inferencia y el entrenamiento de IA son, por definición, cargas continuas. Un endpoint vLLM que sirve un modelo de 70B con una carga de peticiones estable consume entre el 80% y el 95% del TDP nominal de la GPU durante horas. Un entrenamiento es aún más uniforme. El derrateo del 80% se aplica íntegramente: no existe ninguna excepción por «carga intermitente a ráfagas» para las cargas de trabajo de IA, porque el consumo es exactamente el tipo de demanda sostenida frente a la que el derrateo existe para proteger.

Un servidor con 4× 5090 a 2.4 kW sostenidos se sitúa en el 81% de la capacidad continua de un automático B/C de 16 A, es decir, justo en el límite. Con un automático de curva B la línea va bien de media y dispara en el arranque. Con uno de curva C la línea va bien de media y dispara de vez en cuando por picos transitorios coincidentes en las cuatro GPU. Con un C de 20 A o de 25 A la línea tiene margen real y no dispara nunca. Por eso nuestra recomendación por defecto para una configuración de 4 GPU 5090 es un circuito dedicado con automático C de 20 A o C de 25 A, y no el circuito de 16 A en el que los números «encajan».

Elección de la curva de disparo para la gama de IA de Kentino

Dos apuntes sobre esta tabla:

• La curva D rara vez es la respuesta correcta. El rango D de 10–20× In está pensado para la energización de transformadores y el arranque de motores, cuya corriente puede prolongarse cientos de milisegundos. La corriente de arranque de una fuente es un fenómeno que dura desde menos de un milisegundo hasta unos pocos milisegundos. Un automático de curva D tolera ese arranque sin despeinarse, pero pierde sensibilidad para la protección frente a cortocircuitos en el extremo de carga de una tirada de cable larga. Quédese con la curva C salvo que tenga un motivo concreto.
• Subir un calibre de automático casi siempre sale más barato que cambiar de curva. Pasar de un C de 16 A a uno de 20 A sobre un cable correctamente dimensionado es un cambio de pieza de 15 €. Pasar de B a C con el mismo calibre también es un cambio de pieza, pero cuestiona la decisión de diseño del electricista original. Ambos enfoques funcionan; nosotros solemos aplicar los dos —curva C y un calibre más— para dejar sitio a la segunda fuente de alimentación que acabará añadiendo.

Por qué las fichas técnicas de los fabricantes subestiman la corriente de arranque real

Hay tres razones por las que el dato de arranque de la ficha técnica es el suelo y no el techo:

1. Las mediciones del fabricante se hacen a 230 V CA nominales. La red de la UE puede situarse en 245 V o más en algunas regiones y en horas de baja demanda. El pico de arranque escala linealmente con la tensión de red por encima de la tensión del condensador parcialmente cargado. Un arranque de 100 A a 230 V son 107 A a 245 V: un efecto pequeño, pero que se suma a los demás.
2. La impedancia de fuente que supone la ficha técnica es la de una fuente de laboratorio «típica», a menudo de unos cientos de miliohmios. Una instalación real con el cuadro en la misma sala que el rack y una acometida corta puede ofrecer una impedancia de fuente inferior a 100 mΩ. Menos impedancia de fuente significa menos caída de tensión durante el arranque, lo que a su vez significa un pico de corriente más alto. Hemos visto la misma fuente consumir un pico de 80 A en una tirada de cable larga y de 140 A en una corta.
3. El estado de precarga del bus de continua importa en un ciclo de alimentación rápido. Una fuente apagada unos segundos y vuelta a encender puede encontrarse los condensadores de bulk calientes y con carga residual; normalmente eso ayuda y reduce la corriente de arranque. Pero una fuente apagada unos segundos con un NTC frío que no se ha restablecido y con condensadores parcialmente descargados puede producir una curiosa corriente de arranque de segundo golpe que supera la cifra de arranque en frío. Es poco habitual, pero aparece en racks donde alguien hace ciclos de alimentación con una PDU conmutada durante la depuración.

La respuesta práctica es asumir que el pico en el peor caso es aproximadamente 2× el valor de la ficha técnica al dimensionar la curva del magnetotérmico. Por eso la tabla anterior acaba en C de 20–25 A para configuraciones de 4 GPU y en C de 32 A o trifásico para las de 8 GPU, aunque los números en régimen permanente cabrían en automáticos más pequeños.

Protección diferencial: qué tipo de RCD usar en racks de servidores de IA

El diferencial (RCD, dispositivo de corriente residual) protege frente a fugas a tierra que superan un umbral seguro, normalmente 30 mA en circuitos de protección de personas. El mecanismo es un transformador de corriente que suma las corrientes de fase y neutro; en funcionamiento normal la suma es cero, y cualquier desequilibrio (corriente que se va a tierra en algún punto) aparece como una corriente residual que dispara el dispositivo por encima de su umbral.

Un rack de servidores de IA confunde a un diferencial de dos maneras:

Fuga permanente de los condensadores Y. Toda fuente conmutada lleva condensadores Y en su filtro EMC de entrada, entre fase y tierra y entre neutro y tierra. Derivan a tierra el ruido de conmutación de alta frecuencia y, como efecto secundario, también dejan pasar a tierra una pequeña corriente de 50 Hz: normalmente de 0.5–1 mA por fuente en ATX de consumo y de 1–3 mA por fuente en módulos CRPS de servidor con filtrado más pesado. La IEC/EN 60950-1 y su sucesora, la IEC 62368-1, limitan esta corriente a 3.5 mA por equipo de TI por motivos de seguridad. Un rack con 4 fuentes puede presentar, por tanto, entre 4 y 12 mA de fuga a tierra permanente antes de que exista ningún fallo. Sobre un diferencial de 30 mA eso «está bien sobre el papel», pero se come casi la mitad del umbral de disparo.

Fugas con componente de continua procedentes del PFC activo. Las fuentes de servidor modernas usan corrección activa del factor de potencia (PFC): un convertidor elevador en la entrada que absorbe corriente proporcional a la forma de onda de la tensión de red y alcanza un FP > 0.95. La etapa de PFC genera una componente de continua pequeña pero no nula en cualquier fuga a tierra que llegue a producirse (sobre todo en condiciones de fallo). Los diferenciales de tipo AC solo responden a corriente residual alterna puramente senoidal: no detectarán fallos con componente de continua. Los diferenciales de tipo A detectan corriente alterna y continua pulsante, lo que cubre la mayoría de las cargas electrónicas monofásicas. Los diferenciales de tipo B detectan además corrientes residuales de continua lisa, que es justo lo que pueden generar el PFC activo y cualquier rectificador trifásico en el lado de la carga.

Los diferenciales de tipo B cuestan entre 3 y 5 veces más que los de tipo A. Para un único servidor de IA de 4 GPU en un circuito de oficina ya existente, el tipo A suele ser suficiente: la fuga está dominada por la corriente alterna de los condensadores Y, la componente de continua es pequeña y resulta difícil justificar el coste de reformar todo el cuadro con tipo B. Para un laboratorio de IA dedicado con varios servidores, lo correcto es un tipo B en la acometida aguas arriba, con diferenciales de tipo A de 30 mA aguas abajo, a nivel de toma, para la protección de personas en las tomas de limpieza y similares.

Selectividad: la trampa del diferencial aguas arriba y aguas abajo

Hay un modo de fallo desagradable en los laboratorios que añaden diferenciales extra a un cuadro existente: un diferencial de 30 mA aguas arriba de otro de 30 mA no aporta ninguna discriminación selectiva. Cualquiera de los dos puede disparar primero ante un fallo y, una vez que uno dispara, el otro puede seguirle a medida que la fuga se redistribuye por los propios caminos del mecanismo de disparo. El resultado es que todo el cuadro se queda a oscuras por lo que debería ser un fallo localizado en un solo circuito.

La topología correcta para un laboratorio de IA:

Topología correcta de selectividad de diferenciales: tipo B selectivo de 100 mA aguas arriba de los circuitos de IA y tipo A de 30 mA solo en tomas auxiliares y de oficina.

La designación «S» o «selectivo» en un diferencial aguas arriba añade un retardo intencionado de 40–200 ms al mecanismo de disparo, de modo que los dispositivos de 30 mA aguas abajo tengan tiempo de despejar primero el fallo. Sin ese retardo, dos diferenciales en serie con el mismo umbral compiten entre sí. Un tipo B selectivo de 100 mA aguas arriba, con tipo A de 30 mA aguas abajo solo en tomas auxiliares y ningún diferencial en el circuito dedicado de servidores (confiando en el de 100 mA aguas arriba para despejar el fallo), es la topología que realmente funciona en un rack de IA con varios servidores.

Ejemplo práctico 1: servidor Kentino AI de 4 GPU 5090

Montaje: un único Kentino AI 96 Turin con 4× RTX 5090 y 2× fuentes ATX de 1500 W (reparto de entrega según W04), en un laboratorio pequeño sobre un circuito dedicado recién instalado.

Carga sostenida: ~2.4 kW a 230 V = 10.4 A continuos. Con el derrateo del 80%, el automático más pequeño que admite legalmente esta carga es de 13 A; el siguiente calibre estándar es el de 16 A.

Pico de arranque (peor caso): 2× 150 A = 300 A combinados, durante < 5 ms. Un automático B de 16 A (magnético 48–80 A) dispara. Un C de 16 A (magnético 80–160 A) dispara en el extremo alto del peor caso. Un C de 20 A (magnético 100–200 A) aguanta.

Diferencial: un solo par de fuentes, con una fuga permanente por condensadores Y estimada en ~3–5 mA combinados. Un diferencial de tipo A de 30 mA deja ~25 mA de margen: correcto. Si el edificio solo tiene protección diferencial de tipo AC, sustituya el dispositivo aguas arriba por uno de tipo A o de tipo B; no apile un segundo dispositivo de 30 mA.

Especificación que se entrega al electricista:

• Circuito monofásico dedicado de 230 V, magnetotérmico C de 20 A (o B de 20 A si el proveedor no tiene curva C en ese calibre; se prefiere la C).
• Diferencial de tipo A de 30 mA como mínimo; de tipo B si de todos modos se va a reformar el edificio.
• Toma Schuko (o conector monofásico de 16 A del país correspondiente) en el rack. Cable C19/C20 desde la toma hasta la PDU.
• Ninguna otra carga en el mismo circuito.

Este circuito aguantará el servidor de 4 GPU 5090 en arranques en frío, entrenamientos sostenidos y algún que otro ciclo de alimentación, sin disparos indeseados.

Ejemplo práctico 2: servidor Kentino AI de 8 GPU 5090

Montaje: un único Kentino AI 256 Turin Dual con 8× RTX 5090 y módulos CRPS 2+2 de 2 kW cada uno, pensado para entrenamiento sostenido en una sala de servidores pequeña.

Carga sostenida: ~4.5 kW a 230 V = 19.6 A continuos. Con el derrateo del 80% hace falta al menos un automático de 25 A; el siguiente calibre estándar es el de 32 A.

Pico de arranque (peor caso): 4× 80 A = 320 A combinados en módulos CRPS, durante < 5 ms. Un automático C de 32 A (magnético 160–320 A) queda justo en el límite. Un C de 40 A (200–400 A) aguanta con margen.

Diferencial: 4× CRPS con PFC, con una fuga permanente por condensadores Y estimada en ~8–15 mA combinados, más una componente de continua no nula. Un diferencial de tipo A de 30 mA acabará provocando disparos indeseados y puede no detectar correctamente la corriente de fallo de continua. La especificación correcta es un tipo B selectivo de 100 mA.

Opciones de especificación:

• Opción A, monofásica: magnetotérmico C de 32 A o C de 40 A en un circuito dedicado de 230 V, con diferencial selectivo de tipo B de 100 mA aguas arriba. Toma CEE azul de 32 A (monofásica, IEC 60309) en el rack. Funciona, pero está en el límite superior de la distribución monofásica; la tirada de cable soporta una corriente considerable.
• Opción B, trifásica (preferida): toma CEE roja trifásica de 400 V y 16 A en el rack, con los cuatro módulos CRPS repartidos entre fases en la PDU (según P02/P03). Cada fase conduce ~6.5 A sostenidos, muy por debajo de cualquier magnetotérmico C de 16 A. Diferencial por línea o un tipo B selectivo de 100 mA compartido en la acometida trifásica. Es la solución más limpia para cualquier configuración de 8 GPU que disponga de trifásica.

Ejemplo práctico 3: planificación de un laboratorio de cuatro racks

Montaje: planificación de un laboratorio de robótica e IA con cuatro racks, cada uno con 2× servidores Kentino AI de 8 GPU, 2× servidores de 4 GPU, red y carga de humanoides. Consumo sostenido aproximado por rack: 2× 4.5 + 2× 2.4 = 13.8 kW; con la red, los switches y los cargadores, redondee a 15 kW por rack y 60 kW en total.

Aquí la distribución monofásica queda descartada de entrada: la cifra sostenida por rack ya exige trifásica. El plan:

• Acometida del edificio: trifásica de 400 V, con un servicio mínimo de 100 A por fase. Los edificios existentes suelen necesitar una ampliación de suministro para esto; revise el cuadro antes de firmar el contrato de alquiler.
• Subcuadro del laboratorio: trifásico de 400 V, alimentado desde el general con conductores de 4× 63 A o 4× 100 A según la tirada de cable.
• Por rack: acometida CEE roja trifásica de 400 V y 32 A desde el subcuadro (~22 kW teóricos, 17.6 kW continuos: cubre los 15 kW por rack con un 17% de margen). Magnetotérmico C de 32 A tripolar aguas arriba de cada acometida de rack.
• Estrategia de diferenciales: tipo B selectivo de 100 mA por acometida de rack y tipo B selectivo de 300 mA en el general del subcuadro como protección contra incendios. Diferenciales de tipo A de 30 mA para protección de personas solo en las tomas auxiliares del laboratorio (mesas de trabajo, tomas de limpieza), nunca en la alimentación de los servidores.
• Equilibrado de fases: según P03; una PDU con medición por toma y reparto alterno de fases en cada rack, con la asignación de toma a fase documentada.
• Arranque escalonado: véase más abajo.

La trampa del arranque escalonado

Hay un escenario concreto que pilla a los laboratorios la primera vez: un corte de suministro dispara el automático aguas arriba, vuelve la red y todos los servidores del rack intentan arrancar en frío en el mismo instante. La corriente de arranque total es N × el pico por fuente de todos los servidores del rack. En un rack de cuatro servidores esto puede alcanzar brevemente entre 1000 y 2000 A en una sola acometida.

El magnetotérmico aguas arriba lo ve y dispara. La sala se queda a oscuras otra vez. El administrador rearma el cuadro. Y vuelve a ocurrir lo mismo.

Dos soluciones, que aplicamos por defecto en las configuraciones Kentino con varios servidores:

1. PDU conmutada con secuencia de arranque escalonada (según P02). Las tomas de la PDU se configuran para encenderse en secuencia con un retardo de 2–5 segundos entre una y otra. Levantar cuatro servidores lleva entre 8 y 20 segundos en total, y los picos de arranque no se solapan.
2. «Arranque retardado» o «arranque suave» de la fuente desde la BIOS o el IPMI. Muchas plataformas de categoría servidor tienen un retardo configurable de recuperación tras un corte de alterna que aleatoriza o escalona el instante de arranque dentro de una ventana pequeña. Combinado con el escalonado de la PDU, añade una segunda capa de descorrelación.

Sin alguna de estas medidas, un rack de 8 servidores con un único magnetotérmico disparará en cada recuperación de suministro. Lo hemos visto; es reproducible de forma fiable; y no tiene nada que ver con la carga media.

Esto forma parte de la Kentino Wiki, una serie de referencia sobre computación de IA, robótica y los sistemas que los conectan. Comentarios y correcciones son bienvenidos en info@kentino.com.