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자료제공/ 온세미(onsemi)

대부분은 클라우드를 대규모 공용 네트워크로 정의하고 해석하지만, 액세스 및 권한이 제한된 안전한 독점 네트워크를 제공하는 프라이빗 클라우드 서비스도 있다. 대부분의 소비자는 프론트 엔드 액세스를 통해 클라우드와 상호 작용을 한다. 

클라우드의 프런트 엔드에는 소프트웨어, 애플리케이션, GUI 및 스토리지가 포함된다. 광범위한 프론트 엔드 사용자 인터페이스 옵션을 지원하기 위해 클라우드에는 전원 공급 장치, 서버, 데이터 스토리지 및 컴퓨터를 포함해 중요한 백 엔드 인프라가 필요하다. 프론트 클라우드 서비스에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 백 엔드 시스템도 확장 가능하고 확장할 수 있어야 한다.

글로벌 데이터센터 시장은 2020년 191억 달러에서 2025년 261억 달러로, CAGR 6.4% 성장¹할 것으로 예측된다. 클라우드 컴퓨팅 수요가 증가함에 따라 처리 능력에 대한 수요도 증가한다. 2018년 추정된 전세계 데이터센터의 소비 전력은 205 테라와트시 또는 205,000,000,000,000W-hr²에 이르는 것으로 나타났다. 이러한 전력소모 규모로 인해 효율성과 신뢰성이 그 무엇보다 중요해지고 있다. 

클라우드 전력 변환

대부분의 데이터센터 랙들의 입력 정격은 220V이며, 랙당 약 100kW의 무정전 전원 공급 장치(Uninterrupted Power Supply, UPS)으로 부터 공급받는다. 대부분의 코어 프로세서의 정격 전압이 2V 미만임을 고려할 때 고전압 레벨을 변환하여 분배해야 한다. 더불어 정격 전력이 높다는 것은 전력 손실과 열을 최소화하기 위해, 최대 효율로 경로를 다시 지정해야 하는 상당한 양의 전류가 있음을 의미한다. 

대부분의 서버 랙에는 48V 백플레인 전원 공급 장치가 있다. 이는 서버 블레이드라고 하는 랙의 각 서버에 대한 기본 공급 장치이다. 48V는 역사적으로 통신 및 네트워크 인프라의 표준 전원 공급 장치였다. 48V를 선택하는 이유는 일반적으로 인간에게 위험하지 않은 가장 높은 전압으로 간주되기 때문이다. 일반적으로 48V 이상의 전압 레벨이 필요한 장비는 이중 절연되어야 하며 추가적으로 엄격한 안전 요구 사항이 따른다.

그림 1. AC 주전원에서 서버 백플레인 블록 다이어그램

48V 대 12V

48V 서버 전원에 대해 많은 논의와 실험이 있었다. 일반적으로 대부분의 컴퓨터 및 서버 플랫폼에서 내부 전원 공급 장치는 12V였다. 이는 일반적으로 구형 실리콘 기술과 비휘발성 스토리지용 하드 디스크 드라이브, 냉각 팬 및 컴퓨팅 플랫폼의 기타 구성 요소에서 비롯된 레거시 요구 사항이었다. 

CPU 전력 소비가 프로세서의 각 세대에 따라 극적으로 증가함에 따라 높은 전류 레벨은 상당한 전도 손실과 비효율성을 만들기 시작했다. 또한 전력 손실은 디바이스 수명을 단축시키고 시스템 취약성을 생성하므로, 고밀도 컴퓨팅의 적인 열을 발생시킨다. 이러한 전력 손실을 방지할 수 있는 한 가지 방법은 48V 랙 공급 장치를 서버 자체로 가져와 POL(Point of Load) 전력 변환기를 도입하는 것이다.

전도 전력 손실 = (전도 부하 전류²) x (도통 경로 저항)

48V 전원 공급 장치는 전류의 1/4로 부하에 동일한 전력을 공급할 수 있기 때문에 전도 경로의 전력 손실이 16배 감소한다. 시스템 효율성에 대한 이러한 획기적인 개선에서는 몇 가지 문제가 따른다. 

12V 전원 솔루션은 여러 세대에 걸쳐 최적화되었으며 매우 효율적이다. 더 높은 전압의 전원 공급 장치는 CPU 코어 전압에 도달하기 위해 더 큰 강압의 전압이 필요하므로 전력 변환 단계의 효율성이 떨어질 수 있다. 따라서 더 높은 전압의 실리콘 기술이 필요하고, MOSFET 아키텍처의 경우 단위 면적당 더 높은 저항을 갖는 경향이 있어 시스템 비용도 증가한다. 

이러한 시스템 문제로 인해 혁신과 고급 아키텍처가 시험적으로 구현되었다. 가장 유망한 새로운 전력 변환 기술 중 하나는 STC(switched tank capacitor) 컨버터이다(그림 2). 이러한 컨버터는 매우 높은 효율을 나타내며, 경우에 따라 더 작은 회로 면적을 보인다. 설계자와 전체 시스템 아키텍처에 따라 단일 및 단일 단계 변환 솔루션 모두 성공적인 것으로 입증됐다. 

특정 중간 전압은 실리콘 공급업체에 따라 다르며, 일반적으로 특정 기술에 따라 선택된다. 데모를 통해 입증된 가장 효율적인 전체 솔루션은 CPU 코어에 전원을 공급하는 48V ~ 12V ~ 1V이다. 이러한 접근 방식은 기존의 솔루션을 모두 활용하고 순 강압 전압을 조절하여 전체 시스템 효율성을 최대한으로 조율한다.(그림 3)

그림 2.

그림 3.

코어 CPU 전력

고전류 DC-DC 전력 변환기는 일반적으로 다상(multi-phase) 토폴로지이다. 각 상은 일반적으로 두 개의 MOSFET(하이-사이드 및 로우-사이드 하프 브리지 구성)과 단일 벅 컨버터를 생성하기 위한 인덕터로 구성된다. 

이 아키텍처를 일반적으로 Power Stage라고 한다. 여러 단계가 서로 연결되고 단일 지능형 전력 관리 집적 회로(PMIC)에 의해 제어된다. 각 단계의 전환은 방사 및 전도 부분 모두에서 부하 조절, 리플, 과도 응답 및 소음 방출을 최적화하기 위해 시차를 두고 신중하게 제어되어야 한다. 전원 단계의 수와 각 단계의 전류는 특정 세대의 CPU에 맞게 신중하게 조정된다. 

시장은 요구되는 단계의 수의 급격한 증가뿐만 아니라 각 단계에서 더 높은 전류 밀도를 요구한다. 가장 진보된 다상 컨버터는 최대 16개의 위상을 사용하며, 총 전달 전력은 1000W를 쉽게 초과한다.(그림 4)

그림 4.

스마트 전력 단계

고성능 CPU가 요구하는 높은 전력 밀도의 부작용은 바로 매우 엄격한 부하 조절이 필요하다는 것이다. 첨단 딥 서브 마이크론 실리콘 기술은 전원 및 신호 노드의 전압 변동을 허용하지 않는다. 따라서 CPU에 전원을 공급하는 다상 PMIC가 각 상의 전압, 전류 및 온도를 면밀히 모니터링해야 한다. 

이러한 모든 정보는 결함 관리를 포함하여 스마트 전력 단계에서 수집 및 관리된다. 매우 높은 전류가 CPU에 전달되면, 잘못 관리된 오류 상태가 프로세서를 빠르게 파괴하여 하나 이상의 매우 비싼 부품의 교체를 이끌 수 있다. 

가장 진보된 스마트 전력 단계는 부하 인덕턴스, 관련된 과도 스파이크 및 전체 시스템의 신뢰성을 극대화하기 위한 기타 시스템 기생성분을 처리할 수 있어야 한다. 이는 또한 전체 시스템 효율성에 대한 핵심 역할을 한다. 

결론

클라우드 시장은 소비자가 손끝에서 점점 더 많은 데이터를 누리기를 기대함에 따라 계속 진화하고 확장할 것이다. 이러한 요구에 부응하기 위해 클라우드 인프라를 지원하는 기술 부문은 계속해서 혁신해야 하고, 시장 요구를 예측해야 한다. 

다중 단계 컨트롤러, 스마트 전력 단계 및 POL을 포함한 전체 클라우드 전력 트리는 이러한 인프라를 지원하기 위해 효율성과 안정성을 최적화하도록 세심하게 설계 및 제조되어야 한다. 

온세미는 48V에서 1V에 이르기까지 모든 노드에 서비스를 제공하는 전체 전력 트리를 위한 업계 최고의 솔루션을 제공한다. 클라우드 전원 솔루션에 대한 자세한 내용은 www.onsemi.com에서 확인할 수 있다.

참고문헌

[1] https://www.businesswire.com/news/home/20201207005379/en/Global-Data-Center-Power-Market-Forecasts-to-2025-Rising-Adoption-of-Cloud-Services-Which-Requires-Highly-Reliable-Data-Centers-to-Drive-the-Growth-of-Data-Center-Power-Market---ResearchAndMarkets.com

[2] https://www.datacenterknowledge.com/energy/study-data-centers-responsible-1-percent-all-electricity-consumed-worldwide