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데이터 센터의 48V 전력 전환에 따른 효율성 최적화

Published Date

Panasonic 부품, 안정적인 48VDC 인프라로 생성형 AI 데이터 센터에 전력 공급

(출처: IM Imagery/stock.adobe.com)

생성형 인공지능(GenAI)이 확고히 자리 잡으면서, 데이터 센터의 전력 소비량을 그 어느 때보다 높은 수준으로 끌어올리고 있다.[1] 데이터 센터 운영 비용은 이미 전기 요금이 큰 비중을 차지하고 있었으므로,[2] 이러한 전력 소비의 급증은 데이터 센터 전력 관리에서 에너지 효율성의 중요성을 더욱 부각하는 결과를 낳았다.

데이터 센터가 운영 비용을 넘어서는 수익원을 확보하고자 함에 따라, 지속적인 시스템 가동 시간 유지 또한 과거 어느 때보다 필수적인 요소가 되었다. 그리고 전력 시스템은 이러한 문제의 중심에 있다.

이처럼 높은 수준의 효율성과 안정성을 갖춘 데이터 센터 전력 시스템을 설계할 때 어떤 장벽에 부딪히게 될까? 본 글에서는 생성형 AI 시대에 진입하며 직면하게 되는 몇 가지 주요 과제를 개괄하고 잠재적인 솔루션을 제시한다.

전원 공급의 안정성 확보

전력 시스템의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 데이터 시스템 가동 중단(downtime)의 무려 52%가 전력 시스템의 정전으로 인해 발생한다.[3] 이러한 장애가 발생하는 일반적인 원인은 처리 수요의 갑작스러운 급증으로 인해 하드웨어 클러스터가 공급 가능한 범위를 초과하는 전력을 끌어오기 때문이다. 전류 소모가 증가함에 따라 의도치 않게 공급 전압이 떨어지게 되고, 이는 결국 프로세서의 셧다운을 유발한다. 생성형 AI에 대한 처리 요청이 매우 빈번하게 발생하므로, 전원 공급 문제를 미처 감지하기도 전에 시스템이 과부하에 걸릴 수 있다.

이러한 중단 사태를 방지하는 핵심은 프로세서로 향하는 전원 공급을 안정화하는 것이다. 이는 AI 지원 데이터 센터의 새로운 표준으로 자리 잡은 48VDC 전원 공급 장치의 각 단계에 적합한 커패시터를 사용함으로써 달성할 수 있다.[4]그림 1에서 볼 수 있듯이, 파나소닉(Panasonic)은 업계가 주도하는 이러한 전환을 지원하는 고신뢰성, 고온 폴리머 커패시터 제품군을 다양하게 제공한다.

그림 1: Panasonic의 OS-CON, POSCAP, SP-Cap 및 EEH-ZL 커패시터가 지원하는 데이터 센터 전력 시스템의 예시. (출처: Panasonic)

48V가 새로운 표준인 이유

도체의 저항 손실은 전류의 제곱에 비례하지만, 현대의 데이터 센터는 처리 수요를 충족하기 위해 점점 더 높은 전류를 필요로 한다. 12V 버스에서 48V 버스로 전환하면 동일한 전력 대비 공급 전류를 4분의 1로 줄일 수 있다. 전류가 낮아지면 저항 손실이 약 16배 감소하여 고전력 시스템의 효율성이 향상된다.

48V 표준을 채택하면 시스템에서 12V와 관련된 후반부의 강압 변환(down conversion) 단계를 제거할 수 있어, 변환 손실을 줄이고 효율성을 개선할 수 있다. 또한 이러한 전원 회로가 제거됨에 따라 컴퓨팅 인프라를 위한 공간이 더 확보되어, 설계자는 서버 랙의 밀도를 높일 수 있다.

보다 효율적인 전력 공급 방식으로의 이러한 전환은 AI, 에지 컴퓨팅 및 하이퍼스케일 데이터 센터와 같은 애플리케이션과 매우 밀접한 관련이 있다. 한 추정치에 따르면 2030년까지 AI로 인한 전력 수요는 약 945테라와트시(TWh)에 달할 것으로 예상되며,[5] 이는 현재 수치의 두 배를 넘는 수준이다. 이는 데이터 센터 운영자가 제공하는 서비스의 가치를 극대화하기 위해 와트당 최고의 처리 성능을 달성해야 하는 여러 가지 이유 중 일부에 불과하다.

48V 시스템에서 폴리머 커패시터의 역할

안정적인 전원 공급은 시스템의 가동 시간을 유지하는 데 필수 불가결한 요소이다. 데이터 센터의 처리 부품에 일정한 전류 공급을 유지하려면 커패시터가 필요하다. 처리 작업으로 인해 수요가 갑작스럽게 급증하면 전원 공급 장치에 과부하가 발생하여 전압 강하를 초래할 수 있다. 공급 전압이 허용 범위를 벗어나면 프로세서는 셧다운된다.[6]

48V DC/DC 컨버터에 사용되든 전압 조정 모듈(VRM)에 사용되든, 데이터 센터 환경에서 폴리머 커패시터는 기존의 전해 커패시터(electrolytics)에 비해 다음과 같은 이점을 제공한다.

  • 낮은 등가 직렬 저항(ESR)은 전력 손실과 발열을 줄여, 열 관리의 요구 사항을 완화하는 동시에 변환 효율성을 높여준다.
  • 온도 및 주파수에 따른 안정적인 정전 용량은 예측할 수 없는 환경에서도 예측 가능한 성능을 제공한다. 주변 워크로드에 따라 다른 온도의 시스템으로 새로운 작업, 즉 전력 수요가 신속하게 전환될 때가 그 예이다.
  • 높은 리플 전류(ripple current) 환경에서 향상된 수명과 신뢰성은 보다 견고한 DC/DC 변환을 지원한다. 이를 통해 전력 변동 시 VRM과 다운스트림 부품이 손상되는 것을 방지한다.

Panasonic 폴리머 커패시터: 데이터 센터 및 그 외의 환경에 이상적인 솔루션

Panasonic SP-Cap™폴리머 알루미늄 커패시터는 주로 DC/DC 컨버터의 입력 및 출력 커패시터로 사용된다. SP-Cap 커패시터는 적층 알루미늄 설계에서 전도성 폴리머를 전해질 물질로 사용한다. 초저 ESR 값과 높은 리플로우 온도를 견딜 수 있는 능력을 갖춘 SP-Cap 커패시터는 데이터 센터 배포 환경에 매우 적합하다.

고전력 프로세서와 가까운 위치에 있는 DC/DC 변환 및 VRM의 경우, SP-Cap 커패시터는 지속적으로 변동하는 부하 환경에서 뛰어난 성능과 신뢰성을 제공한다. 또한 그림 2에 나타난 이들의 로우 프로파일형 표면 실장 패키지는 정전 용량 요구 사항을 충족하는 데 필요한 부품 수를 줄여주므로 보드 공간을 절약할 수 있다.

그림 2: Panasonic의 SP-Cap 폴리머 알루미늄 커패시터는 변동하는 부하 하에서 높은 신뢰성을 제공하여 48V 데이터 센터 내 처리 장치로의 일관된 전원 공급을 보장하며, 낮은 ESR로 효율적인 전력 변환을 지원한다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

SP-Cap 시리즈는 고신뢰성, 초저 ESR 및 로우 프로파일과 같은 특정 성능 요구 사항을 충족하는 하위 제품군으로 나눌 수 있다. 이 시리즈는 데이터 센터에 적합할 뿐만 아니라 산업 장비, 드론 및 통신 인프라를 포함하는 애플리케이션도 지원한다.

SP-Cap 시리즈는 다양한 모델을 통해 다음 사양을 제공한다:

  • 최저 3mΩ의 초저 ESR
  • -55°C ~ +135°C의 작동 온도 옵션, +135°C에서 5,500시간 내구성 보장
  • 최저 1mm의 로우 프로파일
  • 최대 10.2Arms의 높은 리플 전류 성능
  • 2VDC ~ 35VDC의 전압 범위
  • 10μF ~ 820μF의 정전 용량

실제 환경에서의 Panasonic SP-Cap 활용

SP-Cap 소자는 잘 설계된 사양을 바탕으로 여러 주요 시장에서 뚜렷한 설계상 이점을 제공한다. 이러한 사양은 다음의 몇 가지 주요 애플리케이션에서 설계자들에게 유용하게 활용된다.

  • AI 서버: 부하 변동 시 SP-Cap의 대용량 정전 용량과 높은 신뢰성은 추가 전류를 통해 갑작스러운 성능 향상을 요구하는 주문형 처리 애플리케이션 환경에서 CPU, GPU 및 AI 하드웨어 가속기에 안정적인 전원 공급을 지원한다.
  • 에지 컴퓨팅: SP-Cap 소자의 콤팩트한 특성은 데이터가 소스와 가까운 곳에서 처리되는 에지 컴퓨팅의 제한된 공간 및 리소스 환경에서도 안정적인 전력을 지원한다. 강력한 열 성능은 열 효율이 필수가 되는 팬리스(fanless) 컴퓨팅 시스템을 구축하는 데에도 유용하다.
  • 5G 기지국: SP-Cap 시리즈의 핵심 특징인 높은 신뢰성을 갖춘 이 커패시터들은 신뢰할 수 있는 통신을 위한 포괄적 네트워크 커버리지 확보를 위해 시스템 가동 시간이 핵심이 되는 열악한 배포 환경에 매우 적합하다.

현대적 데이터 센터의 전력 공급을 위한 안정적인 경로

데이터 센터가 생성형 AI와 같은 최신 애플리케이션을 지원하기 위해 48V 전력을 도입함에 따라, 폴리머 커패시터 는 열 관리가 까다로운 이러한 환경에서도 전원 공급이 안정적이고 효율적으로 이루어지도록 보장한다. Panasonic은 SP-Cap 시리즈를 통해 작은 폼팩터의 저 ESR 및 고용량 솔루션을 제공하여 효율성과 처리 밀도를 동시에 높임으로써, 데이터 센터 운영 비용을 상쇄할 수 있는 더 큰 수익 창출 잠재력을 지원한다. Panasonic의 OS-CON™ 및 POSCAP™ 시리즈는 전체 48V 전력 파이프라인에 걸친 솔루션을 위해 전력 변환의 각 단계에서 요구되는 특정 사항들을 충족할 수 있는 다양한 폴리머 커패시터 옵션을 제공한다.

 

출처

[1]https://www.statista.com/topics/13055/data-center-power/#topicOverview
[2]https://www.powermag.com/five-things-to-know-about-power-supply-to-data-centers/
[3]https://datacenter.uptimeinstitute.com/rs/711-RIA-145/images/2024.Resiliency.Survey.ExecSum.pdf
[4]https://wawt.tech/2024/10/01/datacenters-find-48v-power-architecture-more-relevant/
[5]https://www.iea.org/news/ai-is-set-to-drive-surging-electricity-demand-from-data-centres-while-offering-the-potential-to-transform-how-the-energy-sector-works
[6]https://na.industrial.panasonic.com/blog/harnessing-generative-ai-key-innovations-and-power-polymer-capacitors

 

저자 소개

브랜든 루이스(Brandon Lewis)브랜든 루이스(Brandon Lewis)는 10년 넘게 소프트웨어 스타트업과 세계적인 반도체 회사와 그 사이의 모든 회사들을 위해서 딥 테크 저널리스트, 스토리텔러, 테크니컬 라이터로 활동하고 있다. 주로 다루는 영역은 전자 시스템 통합, IoT/인더스트리 4.0 구축, 에지 AI 활용 사례와 관련한 임베디드 프로세서, 하드웨어, 소프트웨어, 툴이다. 인정받는 팟캐스터, 유투버, 행사 사회자, 컨퍼런스 진행자이기도 하며, 다수의 전자 엔지니어링 전문 잡지에서 편집장과 테크놀로지 편집자를 역임했다.
B2B 테크 독자들에게 영감을 불어넣는 일을 하지 않을 때는 TV를 통해서 피닉스 지역의 스포츠 프랜차이즈들을 코칭하는 일을 하고 있다.