Equilibrado de fases en racks de IA: por qué importa y qué funciona de verdad

Una acometida trifásica de 32 A parece mucho margen sobre el papel. 32 A × 400 V × √3 = ~22 kW. Eso da de sobra para cuatro servidores de IA Kentino de ocho GPU a carga sostenida, con margen. ¿Por qué, entonces, la mitad de los laboratorios de IA montados por cuenta propia acaban saltando un magnetotérmico el primer mes?

La respuesta es casi siempre el equilibrio de fases, o más bien su ausencia. La carga total del rack está bien. Una fase está en llamas.

Este artículo trata de cómo se reparte realmente la potencia trifásica en un rack de servidores de IA, por qué las cargas de trabajo de IA tensionan el problema del equilibrio de una forma particular y qué hacer a nivel de toma de la PDU para que el magnetotérmico deje de sorprenderle.

Las matemáticas, en breve

Para una carga en estrella equilibrada con tensión entre fases Vll y potencia activa total Ptot con factor de potencia PF:

I_line  =  P_tot  /  (V_ll × √3 × PF)

En una acometida europea de 400 V con PF = 0,98 que transporta 20 kW equilibrados: I_line = 20 000 / (400 × 1,732 × 0,98) ≈ 29,5 A. Cabe en un magnetotérmico de 32 A. Cada fase lleva ~29,5 A y el neutro va casi a cero.

Reparta esos mismos 20 kW de forma desigual: 12 kW en L1, 5 kW en L2 y 3 kW en L3:

El total sigue siendo 20 kW. Al magnetotérmico de 32 A no le importan los totales: le importa cuál es la primera fase que lo hace saltar. L1, al 165 % de su valor nominal, salta. Las otras dos fases estaban ociosas.

La carga desequilibrada no solo desperdicia capacidad: convierte el margen que usted ha pagado en un disparo a la espera de producirse.

El problema de la corriente de neutro

Los sistemas trifásicos en estrella llevan un cuarto conductor —el neutro— que devuelve la suma vectorial de las tres corrientes de fase. Con una carga lineal perfectamente equilibrada, las tres corrientes se cancelan a intervalos de 120° y el neutro no lleva nada. Con desequilibrio, el neutro lleva todo lo que no se cancela.

Una aproximación útil para la corriente de neutro con carga lineal desequilibrada:

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

Para nuestro ejemplo de 53/22/13 A, el resultado son unos 35 A circulando por el neutro. En un cuadro cuyo conductor de neutro está dimensionado para la corriente nominal de fase, 35 A de neutro sobre una fase de 32 A nominales es incómodo. En un cuadro con el neutro infradimensionado (una instalación antigua, una reforma o la suposición de carga equilibrada), ahí es donde se encuentra el aislamiento fundido.

La conclusión honesta: en cualquier rack de IA que merezca ese nombre, el conductor de neutro debe tener como mínimo la misma sección que los conductores de fase, e idealmente estar sobredimensionado. Volveremos a ello en el apartado del factor K, porque las cargas no lineales lo empeoran.

Por qué las cargas de trabajo de IA tensionan esto más que la informática tradicional

Un rack empresarial tradicional —servidores web, bases de datos, un par de switches de red— tiene una carga estadísticamente no correlacionada entre máquinas. La CPU del servidor A se dispara en un momento, la del B en otro, la media del rack es suave y el reparto entre tres fases funciona de forma aproximada porque las fluctuaciones aleatorias se cancelan.

Las cargas de trabajo de IA rompen esa suposición de dos maneras concretas.

Correlación síncrona de carga. El entrenamiento distribuido ejecuta el mismo paso en todas las GPU a la vez. Una pasada hacia atrás arranca simultáneamente en las ocho GPU de un servidor. Si entrena con cuatro nodos, las 32 GPU entran juntas en la fase de all-reduce y luego juntas en la siguiente pasada hacia delante. La carga no es una media suavizada: es una onda cuadrada a la frecuencia del paso de entrenamiento, quizá de 0,5 a 5 Hz según el modelo.

Si los cuatro servidores están en la misma fase, esa fase recibe la onda cuadrada completa. Si los servidores se reparten entre fases, cada fase sigue viendo la misma onda cuadrada porque los pasos son síncronos. El equilibrio de fases no suaviza la carga correlacionada. Solo aplana la media por fase.

Transitorios de subciclo. Una sola RTX 5090 tiene una potencia nominal de 575 W, pero es capaz de excursiones transitorias de 738 W durante 5-10 ms, 824 W durante 1-5 ms y 901 W en picos de menos de 1 ms. Por tanto, un servidor de IA Kentino de ocho GPU tiene un consumo sostenido nominal de unos 4-4,5 kW y un pico por milisegundo que puede superar brevemente los 7 kW. La fuente de alimentación y el cableado del edificio absorben la mayor parte, pero los picos de corriente son reales, no son sinusoidales y se propagan hasta la PDU aguas arriba.

Los magnetotérmicos térmico-magnéticos estándar ignoran los transitorios de subciclo. Los hidromagnéticos y electrónicos modernos no siempre: algunos disparan por el pico instantáneo, no por el valor eficaz. Si su magnetotérmico salta una y otra vez durante fases concretas del entrenamiento y el rack está por lo demás dentro de su valor medio, lo que tiene delante es la curva de transitorios, no la media.

Qué puede y qué no puede hacer el equilibrio de fases

Por eso quienes vienen de la operación de centros de datos tradicionales a veces se llevan un chasco: en su mundo, equilibrar lo es todo. En un rack de IA es necesario, pero no suficiente.

Estrategia de equilibrio a nivel de toma

El trabajo práctico ocurre a nivel de toma de la PDU. Una PDU de rack trifásica de 32 A y 0U presenta bancos de tomas por fase. La disposición típica de una PDU de 30 tomas es: tomas 1-10 en L1, 11-20 en L2 y 21-30 en L3. Algunas PDU usan una disposición alterna o entrelazada para una mejor gestión del cableado: tomas 1, 4 y 7 en L1; 2, 5 y 8 en L2; 3, 6 y 9 en L3. Las PDU de grado profesional codifican cada fase por color.

La regla es sencilla y se incumple constantemente: asigne los servidores de modo que la suma de carga sostenida de cada fase quede dentro de un ~10 % respecto a las demás. Con unidades idénticas es un reparto rotatorio; con cargas mixtas es un problema de empaquetado.

Ejemplo práctico, PDU trifásica de 32 A (~22 kW nominales, 17,6 kW continuos al 80 %). ¿Cuántos servidores de IA Kentino de ocho GPU (~4 kW sostenidos cada uno) caben?

El presupuesto realista: una sola acometida trifásica de 32 A al rack admite unos tres servidores de IA de ocho GPU, no ocho. Un servidor de cuatro GPU con ~2 kW sostenidos duplica aproximadamente esa cifra hasta seis por circuito.

Esto pilla desprevenidos a la mayoría de los planificadores de laboratorio. El margen teórico de un circuito de 22 kW se evapora en cuanto se tienen en cuenta las curvas del magnetotérmico, los picos transitorios y la reducción al 80 % por carga continua que exige la mayoría de los reglamentos eléctricos.

Cómo medirlo: PDU con medición por toma

Una PDU básica no le da nada. Una PDU con medición le da la corriente eficaz por fase en la entrada. Una PDU con medición por toma le da la corriente de cada toma, que es la magnitud que realmente quiere.

Qué vigilar:

• Corriente eficaz por fase, con histórico. La mayoría de las PDU con medición por toma exponen SNMP o una API REST; recójalo en Prometheus, represéntelo en Grafana y alarme al 80 % del valor nominal.
• Corriente de pico por fase en una ventana de muestreo. Si la PDU expone retención de pico, regístrela; si no, muestree a 1 Hz como mínimo.
• Ratio de desequilibrio de fases: (máx − mín) / máx entre las tres fases. Por debajo del 10 % está bien. Por encima del 25 % significa que está dejando capacidad sin usar.
• Corriente de neutro, si la PDU la informa. Si el neutro supera el ~30 % de la corriente de cualquier fase bajo carga, algo falla en el equilibrio o en el contenido armónico.

Una PDU de 32 A es un único equipo. Dos PDU redundantes de 32 A (acometidas A y B) duplican los datos que hay que seguir, pero también duplican la tolerancia a fallos: si cae una acometida, los servidores con doble fuente siguen en pie y la PDU superviviente tiene que absorberlo todo. Dimensione para ese caso: un rack de doble acometida debería operar cada PDU al ~40 % nominal para que una conmutación a una sola acometida se mantenga dentro del magnetotérmico.

Armónicos y el factor K

Toda fuente de alimentación de un servidor de IA es una fuente conmutada, es decir, una carga no lineal: absorbe corriente en pulsos alrededor del pico de cada semiciclo en lugar de como una onda senoidal suave. Esto inyecta corrientes armónicas de vuelta a la red, predominantemente el 3.º, 5.º y 7.º en sistemas monofásicos y el 5.º, 7.º, 11.º y 13.º en trifásica en estrella.

El 3.er armónico es el que más daño hace en trifásica: es un armónico triple, lo que significa que las corrientes de 3.er armónico de las tres fases llegan al neutro en fase y no desfasadas 120°. Se suman aritméticamente. Una carga lineal equilibrada tiene una corriente de neutro casi nula. Una carga no lineal equilibrada con un contenido significativo de 3.er armónico puede tener una corriente de neutro que se acerque o supere a la de fase.

Por eso existen los transformadores con factor K. El K-1 es un transformador normal para carga lineal; el K-13 está dimensionado para un contenido armónico considerable; el K-20 es lo que especifican hoy los centros de datos de IA serios, porque los clústeres de IA presentan una carga prácticamente 100 % no lineal, sin motores ni resistencias en la mezcla que diluyan el contenido armónico.

En un laboratorio de un solo rack esto rara vez es su problema: el transformador del edificio está aguas arriba y dimensionado para una carga mixta. Para una sala de IA de varios racks añadida a un edificio existente, pregunte al electricista: cuál es el factor K del transformador aguas arriba, si el conductor de neutro tiene al menos la misma sección que los de fase (mejor si está sobredimensionado) y si el cuadro está preparado para contenido armónico. Si las respuestas son «K-1, igual que la fase y genérico», está bien para un rack, pero debería revisarlo antes de escalar a cuatro.

El problema honesto del rack medio vacío

El equilibrio de fases presupone que hay carga suficiente que repartir. Un rack con un servidor y veinte U vacías no se puede equilibrar: ese servidor está en la fase en la que esté enchufado. Las otras dos fases quedan ociosas, el neutro lleva toda la corriente de ese único servidor y la acometida trifásica de 32 A está quizá al 8 % de capacidad, pero con un 100 % de desequilibrio.

Tres opciones honestas:

1. Aceptar el desequilibrio. Es un servidor. El cuadro lo aguanta.
2. Pasar a monofásico. Una acometida monofásica de 32 A a 230 V son ~7,3 kW: suficiente para uno o dos servidores de 4 GPU. Más sencillo, sin problema de equilibrio y sin la cuestión del neutro por armónicos triples. Es la respuesta correcta para un laboratorio pequeño sin planes de crecimiento en los próximos 12 meses.
3. Planificar y cablear por adelantado. Si va a crecer hasta 6 u 8 servidores el año que viene, instale ya la acometida trifásica y equilíbrela bien a medida que añade servidores. El sobrecoste frente a monofásico es pequeño comparado con tener que rehacerlo después.

Recorrido por un escenario real

Un laboratorio mediano realista: dos racks, 8 servidores de IA Kentino de ocho GPU repartidos entre ambos, más red, almacenamiento y un banco de pruebas Intel Arc. Total sostenido ~35,5 kW (32 kW para la flota Kentino AI, 2,5 kW para el banco Arc y 1 kW para switches y almacenamiento).

Plan de circuitos: cuatro servidores de IA Kentino por rack, cada rack con una acometida trifásica de 63 A (~43,5 kW nominales, 34,8 kW continuos: cómodo para cuatro servidores de 4 kW más los auxiliares).

Asignación de tomas del rack A:

Por fase: L1 = 4,6 kW (20 A), L2 = 4,2 kW (18 A), L3 = 8 kW (35 A). Desequilibrado: dos unidades Kentino AI comparten L3. Con solo cuatro servidores por rack no se puede equilibrar a la perfección entre tres fases; una fase se lleva siempre el extra. 35 A en una acometida de 63 A es el 56 % del valor nominal, muy dentro del magnetotérmico. Acéptelo. El rack B replica la disposición para los otros cuatro servidores Kentino AI y el banco Arc.

La redundancia de doble acometida se resuelve dando a cada servidor una conexión de fuente a la acometida A y otra a la B en dos PDU físicamente separadas; véase W04 para saber cómo interactúa esto con la entrega repartida —no redundante— de las fuentes de los servidores de IA.

Monitorización: ambas PDU exportan la corriente por fase y por toma vía SNMP. Prometheus recoge cada 15 s, Grafana muestra la tendencia de 24 h y salta una alarma si alguna fase supera el 80 % del nominal durante >5 min o si el ratio de desequilibrio de fases supera el 25 % durante >30 min. El suavizado importa: los trabajos de entrenamiento al arrancar y detenerse provocan desequilibrios breves sobre los que no hay que actuar.

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.