AI 데이터 센터 전력을 효과적으로 관리하는 방법

인공 지능(AI)과 머신러닝(ML)이 급부상함에 따라, 전례 없는 수준의 전력 수요가 발생하게 되었습니다. 차세대 데이터 센터는 전력 관리, 효율성, 신뢰성 측면에서 중대한 과제에 직면해 있습니다. 기존의 전력 솔루션은 개별 부품 및 전체 데이터 센터 인프라 관리(DCIM) 수준에서 이러한 요구 사항을 충족하기 어려운 경우가 많습니다. 더욱 향상된 전력 부품과 통합 모니터링 솔루션을 활용하면 보다 포괄적인 접근 방식을 통해 이러한 과제를 해결할 수 있습니다.

예를 들어 하이브리드 커패시터 기술은 안정적인 전력 공급을, 초저 등가 직렬 저항(ESR) 솔루션은 고전류 전력 변환의 효율성을, 고정밀 저항기는 정밀 전력 모니터링을, 그리고 무선 통합은 종합적인 전력 관리 기능을 제공합니다.

이 기사에서는 이러한 요소가 AI 기반 데이터 센터에서 강력한 전력 관리 시스템을 구축하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴봅니다. 그런 다음 이러한 4가지 영역에 걸친 Panasonic의 솔루션을 소개하고, 현대의 데이터 센터 환경에서 Panasonic이 제공하는 응용 제품에 대해 설명합니다.

하이브리드 커패시터 기술을 통한 효율적인 데이터 센터 전력 공급

현대의 데이터 센터에는 광범위한 전력 변환이 필요하며 그리드에서 수백 킬로볼트 AC(kVAC)가 요구되는 경우가 많습니다. 이 전압은 먼저 데이터 센터 캠퍼스 전체에 분배하기 위해 수십 kVAC로 강압됩니다. 그런 다음, 장비 랙으로의 분배를 위해 수백 VAC로 추가 변환됩니다.

랙 수준에서, AC 전력은 IT 장비의 요구 사항을 충족하기 위해 직류(일반적으로 12V DC(VDC))로 변환됩니다. 마지막으로, 각 장비 내에서 전압은 프로세서 및 메모리 모듈과 같은 개별 부품에의 전력 공급을 위해 주로 1.1볼트 ~ 5볼트 사이의 낮은 수준으로 추가 조절됩니다.

이 체인의 각 단계는 데이터 센터의 전반적인 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있는 손실을 초래합니다. 데이터 센터 전력 설계자들은 후반 변환 단계에서의 손실을 최소화하기 위해 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드밴드갭(WBG) 반도체를 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 기존 실리콘(Si) 장치에 비해, WBG 장치는 더 높은 스위칭 주파수와 낮은 전도 손실을 통해 뛰어난 효율을 달성합니다.

하지만 이러한 컨버터에 사용되는 커패시터 기술에는 상당히 중대한 설계 과제가 있습니다. 원래 전력 시스템 설계자는 누설 전류가 낮은 기존 알루미늄 전해 커패시터와 ESR 특성이 뛰어난 폴리머 커패시터 등 두 가지 검증된 커패시터 기술을 사용해 왔습니다. Panasonic의 EEH 계열 하이브리드 알루미늄 전해 커패시터(그림 1)는 이 둘의 장점을 결합하여 누설 전류 및 ESR로 인한 손실을 최소화하는 제3의 옵션을 소개합니다.

그림 1: EEH 계열 하이브리드 알루미늄 전해 커패시터는 누설 전류 및 ESR로 인한 손실을 최소화합니다. (이미지 출처: Panasonic)

하이브리드 커패시터에는 개방 회로 장애 모드를 통해 신뢰성을 개선하고, 기존 설계보다 훨씬 높은 주파수에서 정격 정전 용량을 유지하는 등 기타 장점들이 있습니다. 기존의 커패시터는 수십 킬로헤르츠(kHz)의 주파수에서 효율이 떨어지기 시작하는 반면, 하이브리드 커패시터는 1메가헤르츠(MHz)에 가까운 주파수에서도 그 성능을 유지합니다. 이렇게 작동 주파수가 높아지면 더 작은 커패시터를 사용할 수 있으므로, 설계자는 더 콤팩트한 컨버터를 만들거나 추가 기능을 위한 기판 공간을 확보할 수 있습니다.

통상적인 하이브리드 커패시터의 예로 EEH-ZA1V151P를 들 수 있습니다. 이 150마이크로패럿(µF), 35V 장치는 27밀리옴(mΩ)의 낮은 ESR을 유지하고, 작동 온도 범위는 -55°C ~ 약 +105°C이며, 수명은 10,000시간(hr)(+105°C 기준)입니다. 데이터 센터 응용 제품에 대한 적합성은 STMicroelectronics의 EVLMG1-250WLLC DC/DC 컨버터 평가 기판에서 입증되었습니다(그림 2). 이 GaN 기판은 92% 이상의 효율로 입방인치당 20와트(W/in.³)의 출력 밀도를 달성합니다.

그림 2: EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC 컨버터 평가 기판은 하이브리드 커패시터의 잠재력을 입증합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

고밀도, 고효율 전력 공급을 위한 저 ESR 커패시터의 장점

데이터 센터에서 높은 출력 밀도 DC/DC 컨버터를 점차적으로 많이 사용하게 됨에 따라, 고유한 열 관리 문제가 야기됩니다. 출력 밀도가 증가하고 부품 면적이 줄어들면 작동 온도가 크게 상승할 수 있습니다.

커패시터의 ESR을 최소화하면 이러한 열 문제를 부분적으로 해결할 수 있습니다. 전력 손실은 I²R 관계를 따르므로, 저항을 줄이면 전력 손실이 직접적으로 감소하고 결과적으로 열 발생이 감소합니다. 따라서 콤팩트한 설계에서 안전한 작동 온도를 유지하려면 낮은 ESR이 매우 중요합니다.

그러나 가장 효율적인 커패시터의 경우에도 주변 환경에 따라 작동 온도가 높아질 수 있습니다. 따라서, 조밀하게 구성된 데이터 센터의 열을 견딜 수 있는 커패시터를 선택하는 것이 필수적입니다. 그림 3은 기타 고려 사항 중 작동 온도를 고려한 선택과 관련된 표입니다.

그림 3: 리플 전류, 정전 용량, 크기 및 작동 온도에 따른 하이브리드 커패시터 선택 안내서입니다. (이미지 출처: Panasonic)

GaN 기술로 구현되는 높은 스위칭 주파수로 인해 더 작은 패키지를 설계하는 것이 가능해진 반면, 커패시터 기술은 높은 리플 전류를 처리할 수 있는 적절한 정전 용량을 제공해야 합니다. 47μF ~ 680μF의 정전 용량 옵션과 100kHz에서 최대 2.3A를 처리할 수 있는 EEH-ZL 계열 하이브리드 커패시터는 이러한 문제를 해결합니다. 또한 이 커패시터는 +135°C까지의 작동과 최저 14mΩ의 ESR을 보장합니다.

ESR이 14mΩ이고 패키지 직경이 10.0mm인 EEH-ZL1E681P 680μF 커패시터가 그 예입니다.

정밀한 전력 모니터링을 위해 고정밀 저항기 사용

데이터 센터 응용 제품의 DC/DC 컨버터는 전력 제어를 위해 매우 정확한 피드백을 필요로 합니다. 이는 듀티 사이클 피드백의 사소한 오류를 통해서도 위험한 과전압 또는 과전류 조건이 발생할 수 있는 GaN 기반 설계에서 특히 중요합니다.

다양한 전류 감지 기술 중에서도 션트 저항기는 특히 서버, 스토리지 인프라 및 전원 공급 장치의 공간 제약적인 환경에 적합합니다. 그러나 최신 설계의 높은 출력 밀도는 저항 전류 감지에 상당한 문제를 발생시킵니다.

가장 큰 과제는 열 안정성에 있습니다. 작동 온도가 변함에 따라 저항 값이 크게 변동하여, 측정 정확도가 저하될 수 있습니다. 따라서 열 저항 계수(TCR)는 매우 중요한 사양입니다. 데이터 센터 운영에서 발생하는 넓은 온도 범위에 걸쳐 측정 정밀도를 유지하려면, 열 저항 계수가 가능한 한 작아야 합니다.

Panasonic ERA-8P 계열 저항기(그림 4)는 다음과 같은 몇 가지 혁신적인 기능을 통해 이러한 문제를 해결합니다.

• 정밀 박막 공정으로 켈빈도(K) 당 ±15 × 10^-6의 초저 TCR 달성
• 저항기 아래의 응력 감소 연질 수지 층이 열 순환 중 납땜 균열의 형성 최소화
• 매끄러운 알루미나 기판 표면으로 균일한 저항막 두께 보장
• 전류 부하 집중을 분산시키는 길고 미세한 뱀 모양 저항 패턴으로 업계 최고의 정전기 방전(ESD) 저항 제공

그림 4: ERA-8P 계열 저항기는 높은 열 안정성을 위해 설계되었습니다. (이미지 출처: Panasonic)

ERA-8PEB1004V는 데이터 센터 전력 모니터링에 적합한 사양으로 다음 기능을 보장합니다.

• 고전압 전력 레일 모니터링을 위한 1MΩ에서 500V의 높은 제한 소자 전압
• 전력 손실을 최소화하는 0.25W 전력 등급
• 55°C ~ +155°C의 넓은 작동 온도 범위
• 고전력 환경에서의 안정적인 작동을 위한 우수한 정전기 방전(ESD) 내성

Wi-Fi를 사용하여 전력 효율 모니터링

AI 워크로드로 인해 더 많은 서버, 스토리지 시스템, 전원 공급 장치가 배포됨에 따라, DCIM은 점점 더 복잡해지는 문제에 직면해 있습니다. 이러한 시스템 전반의 전력 소비를 모니터링하는 것은 효율성을 최적화하는 데 매우 중요하지만, 기존의 유선 모니터링 솔루션은 시설의 규모가 커질수록 비용, 복잡성 및 케이블 관리 문제를 가중시킵니다.

무선 모니터링은 이러한 문제에 대한 훌륭한 솔루션을 제공합니다. 추가 케이블 설치 없이도 전압, 전류, 온도 측정을 통한 실시간 전원 관리가 가능합니다. 이 접근 방식은 물리적 연결을 재구성하지 않고도 작업을 확장하거나 축소할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공합니다.

그러나 데이터 센터 응용 제품용 무선 모듈은 다음 몇 가지 엄격한 요구 사항을 해결해야 합니다.

• 장애물 및 잠재적인 전파 방해 요인이 많은 환경에서도 안정적인 연결성 유지
• 전력 소비를 최소화하여 전반적인 효율성 이득 유지
• 기존 장비와 통합할 수 있도록 콤팩트한 폼 팩터에 장착 가능
• 민감한 데이터 센터 정보를 보호하기 위한 강력한 보안 기능 제공

Panasonic ENW-49A01A3EF PAN9320 Wi-Fi 모듈(그림 5)은 다음과 같이 포괄적인 기능 세트를 통해 이러한 문제를 해결합니다.

• 2.4GHz 작동으로 데이터 센터 장애물을 통과하는 뛰어난 침투력을 제공하는 동시에, 802.11b/g/n 표준을 지원하여 폭넓은 호환성을 보장합니다.
• 802.11b 모드에서 송신(Tx)의 경우 430밀리암페어(mA), 수신(Rx)의 경우 160mA의 최소 송신(Tx) 전력 소비로 전력 효율이 유지됩니다.
• 29.0mm × 13.5mm × 2.66mm의 콤팩트한 표면 실장 설계로 통합이 간편합니다.
• TLS/SSL, HTTPS, WPA2와 같은 내장된 보안 기능으로 민감한 정보를 보호합니다.

이러한 기능을 통해 데이터 센터 운영자는 통상적으로 이러한 시스템과 관련된 물리적 및 운영 오버헤드를 최소화하면서 포괄적인 전력 모니터링을 구현할 수 있습니다.

그림 5: ENW-49A01A3EF는 효과적인 DCIM을 위한 포괄적인 2.4GHz Wi-Fi 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Panasonic)

결론

AI 워크로드의 수요로 인해, 개별 부품 선택부터 시설 전체 모니터링 시스템에 이르기까지 전력 인프라에 대한 재고가 필요합니다. Panasonic의 하이브리드 커패시터, 초저 ESR 기술, 정밀 저항기, 무선 연결 포트폴리오는 데이터 센터 운영자에게 차세대 AI 응용 제품을 지원하는 효율적이고 확장 가능한 전력 시스템을 구축하고 유지하는 데 필요한 도구를 제공합니다.