데이터 센터의 중요한 전력 효율 요구 사항

AI의 부상으로 인해, 데이터 센터 컴퓨팅은 에너지 집약적인 고부가가치 리소스가 되고 있습니다. 제품 팀은 폭증하는 수요를 관리하고 인프라, 규제, 정치적 제약을 고려하면서 효율성, 밀도, 안정성을 제공해야 합니다. 이러한 균형을 달성하려면 빠르고 효율적인 전력 변환의 혁신 그리고 중요한 저전압 레일과 시스템 수준의 보조 레일을 모두 보호하기 위한 계층화된 하드웨어 시간 감독이 필요합니다.

최신 데이터 센터, 특히 AI에 중점을 둔 데이터 센터는 점점 더 서버 수보다는 전력 밀도와 총 에너지 용량을 중심으로 설계되고 있습니다. 과거에는 서버가 계획의 주요 단위였다면, 최신 데이터 센터는 이제 개별 머신이 아닌 전체 랙 행 또는 포드 크기에 맞춰 메가와트급 전력과 냉각을 중심으로 구성됩니다.

AI에 최적화된 랙은 기존 서버 랙의 일반적인 5kW ~ 15kW의 몇 배에 달하는 30kW 이상의 전력을 소비하는 경우가 많으며, 단일 랙의 최대 소비 전력은 작은 동네 하나의 소비 수준과 유사한 정도입니다. 이러한 환경에서 운영하려면 갑작스러운 급증 시에도 시스템을 안정적으로 유지하면서 엄격하게 프로비저닝된 전력을 관리할 수 있는 응용 제품이 필요합니다. Texas Instruments의 부품은 최신 설계가 어떻게 이러한 새로운 전력 및 안정성 요구 사항을 충족하는지를 보여줍니다.

예상되는 제약 조건

이러한 변화는 설계자가 더 이상 기능이 자동으로 확장될 것이라고 가정할 수 없음을 의미합니다. 이제 모든 상호 작용, 계산 또는 데이터 집약적인 경험은 기반 시스템에 실질적인 영향을 미칩니다. 갑작스럽게 작업 부하를 대규모로 발생시키는 기능은 지연 시간을 발생시키거나 스로틀링을 유발하거나 시스템의 다른 곳에서 확장 절충을 요구할 수 있습니다.

가장 효과적인 설계는 제약 조건을 무시하지 않고 예측하여 부하가 많은 상황에서도 반응성을 유지하고 모든 컴퓨팅 성능을 최대한 활용하면서 가치를 전달해야 합니다. 설계자는 속도, 기능, 효율성 간의 절충점을 고려하여 사용자 경험과 컴퓨팅 및 에너지의 물리적 한계 간의 균형을 맞춰야 합니다.

하드웨어에 효율성, 정밀성, 복원력을 구축하는 것은 시스템에 과부하를 주지 않으면서 가치를 제공하는 데이터 센터 응용 제품을 설계하는 데 있어 핵심입니다. 부하가 많은 상황에서도 응용 제품이 응답성을 유지하고 모든 컴퓨팅 성능을 최대한 활용해야 합니다. 이를 위해서는 우선, 전력을 관리하고 전압을 모니터링하며 갑작스러운 서지로부터 성능을 보호하는 부품이 완비되어 있어야 합니다.

다음은 TI의 부품을 사용하면 어떻게 이러한 응용 제품에서 성능을 강화할 수 있는지를 보여줍니다.

변환 레이어

질화 갈륨(GaN) 전력 기술은 데이터 센터 효율성을 최적화하는 데 점점 더 필수적인 요소가 되고 있습니다. NVIDIA GPU(그래픽 처리 장치)로 구동되는 AI 서버는 많은 양의 전력을 소비하므로 빠르고 정확하게 전력을 낮춰야 합니다. 고속 게이트 구동기와 GaN 전계 효과 트랜지스터(FET)를 통합하여 기존 실리콘 솔루션에 비해 스위칭 주파수를 높이고 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 기판과 랙 수준 모두에서 전력 변환 효율이 향상되어 열로 인한 에너지 손실이 줄어들고 냉각 수요가 감소하며 전력 공급 회로가 더욱 소형화됩니다. 데이터 센터는 더 높은 컴퓨팅 밀도와 전반적인 에너지 성능의 이점을 누릴 수 있습니다.

TI LMG3100R017VBER(그림 1)은 소형 패키지에 고주파 게이트 구동기가 통합된 100V GaN FET입니다. 내부 하이사이드 레벨 시프터와 부트스트랩 회로를 포함한 GaN FET와 드라이버를 결합하여 외부 레벨 시프터 없이도 두 개의 장치가 하프 브리지를 형성할 수 있습니다.

그림 1: LMG3100R017VBER은 통합 게이트 구동기를 갖춘 100V 1.7mΩ GaN FET입니다(이미지 출처: Texas Instruments).

시스템 감독

GaN 장치는 매우 빠르게 전환되고 고전압에서 작동합니다. 고밀도 데이터 센터 서버에서 흔히 발생하는 급격하고 큰 변동은 전압 강하 또는 스파이크를 유발하여 불규칙한 작동, GPU 및 기타 부품에서의 스트레스 증가, 잠재적인 다운타임으로 이어질 수 있습니다. 적절한 모니터링이 없으면 전압이 안전 범위를 벗어날 때 GaN FET 전력 스테이지가 스위칭을 시도할 수 있습니다.

중요한 고전압 레일은 신속하게 작동하는 감독이 필요하지만, 보조 레일은 전반적인 시스템 안정성을 유지하기 위해 전력 시스템 로직, I/O 및 냉각 회로의 광범위한 모니터링 및 시퀀싱이 필요합니다.

TI의 TPS3760 수퍼바이저 IC 제품군(그림 2)은 하드웨어 타이밍 응답과 최소한의 오버헤드로 단일 고전압 레일을 모니터링합니다. TI에서 다양한 자동차 응용 제품욜 모델을 제공하지만, 데이터 센터 응용 제품을 대상으로 하는 설계자는 TPS3760A015DYYR과 같은 표준 상용 버전을 선택할 수 있습니다. 이러한 장치는 정밀 내부 전압 비교기를 사용하여 레일 전압을 정의된 임계값과 비교하여 지속적으로 확인하고 전압이 범위를 벗어날 경우 리셋 신호를 발생시킵니다.

그림 2: TPS3760은 감지 입력, 초저 정동작 전류 및 프로그래밍 가능 지연을 갖춘 65V 과전압/저전압 감시기입니다(이미지 출처: Texas Instruments).

TI의 TPS389006 제품군은 GPU, CPU 및 메모리에 전력을 공급하는 저전압 레일을 빠르고 정밀하게 감독할 수 있습니다. 예를 들어 TPS389006007RTER 장치(그림 3)는 이러한 레일을 실시간으로 모니터링하고 전압이 엄격한 허용 오차 범위에서 벗어나면 즉시 리셋 신호를 발생시킵니다. 부하 지점에 가깝게 배치되어 민감한 고전류 장치를 일시적인 오류로부터 보호하고 급격한 부하 변화 시에도 안정적인 작동을 보장합니다.

그림 3: TPS389006007RTER와 같은 TPS389600 부품은 저전압 공급 레일에서 작동하고 마진 공급 오차가 좁은 시스템을 위한 고정밀 다중 채널 전압 감시를 제공합니다(이미지 출처: Texas Instruments).

이 두 가지 유형의 슈퍼바이저 IC는 계층형 감독 체계에서 시스템 레벨 시퀀싱과 빠른 부하점 보호 기능을 결합하여 GaN FET를 보완합니다. TPS3760 장치는 하드웨어 타이밍 리셋을 통해 고전압 레일을 감독하고, TPS389006 장치는 중요한 저전압 레일에 대한 저지연 모니터링을 제공하여 동적 부하 조건에서 안전하고 안정적인 작동을 보장합니다.

결론

TI의 LMG3100R017VBER과 같은 고속 GaN 전력 스테이지는 안전한 하이사이드 스위칭을 통해 컴팩트하고 손실이 적은 전력 변환을 제공합니다. TPS389006 및 TPS3760과 같은 수퍼바이저 IC는 중요한 저전압 레일부터 고전압 시스템 레일까지 계층화된 하드웨어 타이밍 모니터링을 지원하여 적절한 시퀀싱과 신속한 장애 대응을 보장합니다. 설계자는 빠르고 효율적인 전력 변환과 계층화된 감독을 결합하여 시스템 밀도를 높이고 열 및 에너지 낭비를 줄이며 워크로드의 변동이 심한 상황에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.