AI 데이터 센터용 DC/DC 컨버터: 공간 및 열 문제 해결

생성형 AI로 인해 데이터 센터가 AI 공장으로 탈바꿈되고 있으며, 이곳에서 성능은 컴퓨팅 밀도, 즉 랙에 얼마나 많은 출력 밀도를 담을 수 있는지와 직결됩니다. 최첨단 GPU는 이미 장치당 1kW를 넘어서고 있습니다. 그 결과 랙 출력 밀도가 일상적으로 메가와트 규모에 도달하게 되므로, 기존의 배전, 변환 및 냉각 방식이 안전한 정도를 훨씬 넘어서는 스트레스를 받게 됩니다. 비효율적인 전력 변환으로 인한 열 오버헤드가 냉각에 드는 비용을 증가시키기 때문에, 운영자는 액체 및 하이브리드 냉각에 박차를 가하고 있으며, 강제 공랭만으로는 이를 따라잡을 수 없습니다. 업스트림에서 얻는 아주 작은 효율성도 두 배로, 즉 전력 절약으로 한 번, 전력을 제거할 필요가 없게 되어 또 한 번 이득이 됩니다.

업계는 고전압 DC(HVDC) 배전 및 다단계 DC/DC 전력 변환으로의 결정적인 아키텍처 전환을 통해 이를 대응하고 있습니다. 48V 랙에서 ±400 또는 800VDC로 이동하면 구리 부분 및 I²R 손실이 줄어듭니다. HVDC를 48V로 변환하면, 배전 기판과 마더보드의 기존 48V 버스 아키텍처를 사용하여 12V로 낮춘 다음, 전압 조정기를 사용하여 AI 프로세서에 필요한 하위 전압 레일로 변환할 수 있습니다.

3단계 DC/DC 변환이 AI 워크로드에 적합한 이유

HVDC에서 중간 버스 컨버터(IBC)로, 그 이후 수직 전력 또는 다이 근접 전압 조정으로 이어지는 3단계의 변환 방식은 하이퍼스케일 및 AI 배포에서 실질적인 표준이 되었습니다(그림 1).

1. HVDC 배전(±400V 또는 800VDC)
   • 버스바의 전류를 최소화하여 구리 무게와 전도 손실을 크게 줄입니다. 또한 현재 로드맵에서 볼 수 있는 >100kW 랙과 MW급 클러스터를 위한 시설도 준비합니다.
2. 중간 버스 변환(48V → 12V 또는 13.2V 또는 6V ~ 7V)
   • IBC는 효율적인 부하점 규제를 위한 기반을 마련합니다. 4:1(≈12V)과 8:1(≈6V) 중에 선택하는 것은 전략적 트레이드 오프입니다. 동일한 킬로와트에서 4:1은 8:1에 비해 로컬 버스의 전류를 절반으로 줄여, 다상 VRM보다 더 많은 배치의 여유와 낮은 분배 손실을 달성할 수 있습니다. 8:1은 기판이 부하에 가까운 매우 낮은 버스 전압을 필요로 하지만 I²R 손실을 피하기 위해 VRM에 더 가깝게 배치되어야 하는 경우에 유용합니다.
3. 수직 전력 공급(VPD)/VRM
   • 수백에서 1000A 이상의 레일이 다이로부터 인치 또는 심지어 밀리미터 단위의 거리에서 공급되며, 기생 및 IR 강하를 최소화하기 위해 보통 패키지 아래로부터 공급됩니다. 여기서 GPU/AI 과도현상에 의해 구동되는 동적 부하 단계와 함께 1V 미만에서 조정이 이루어집니다.

이러한 단계에 걸쳐 효율성을 복합적으로 고려하는 것은 매우 중요합니다. AI 랙의 경우 이미 250kW를 초과하므로, 엔드 투 엔드 개선을 통해 단 1% ~ 2% 미만만 개선해도 연간 랙당 킬로와트 수준의 열과 냉각 비용을 포함할 경우 수만 달러의 비용을 절감할 수 있습니다.

그림1: 3단계 전력 변환(이미지 출처: Flex Power Modules)

차세대 고밀도, 고효율 IBC 소개

Flex Power Modules는 높은 출력 밀도, 고효율, 디지털 제어(PMBus), 일관된 풋프린트 등 AI 데이터 센터에 맞게 특별히 조정된 포트폴리오를 제공하므로, 고객은 기판을 다시 레이아웃할 필요 없이 확장할 수 있습니다.

1. 고정 비율 4:1 중간 버스 컨버터

BMR316 — 1kW 비분리, 4:1 비정격 IBC

• 입력 38V ~ 60V → 출력 9.5V ~ 15V
• 비정격 4:1 비율
• 1kW 연속, 2.8kW 피크(BMR313의 후속 제품)
• 최대 97.7% 효율(50% 부하(54Vin) 기준)
• 초소형 LGA: 23.4mm × 17.8mm × 7.65mm, 차가운 벽면 장착 또는 액체 냉각에 최적화됨
• PMBus 원격 측정, Flex Power Designer 소프트웨어와 통합 https://flexpowermodules.com/flex-power-designer

이 제품은 피크 과도 상태에서의 효율을 유지하면서 12V ~ 13.5V 중간 버스가 필요한 공간 제약적인 AI 가속기 카드를 대상으로 합니다.

그림 2: Flex Power Modules의 BMR316(이미지 출처: Flex Power Modules)

2. 정격 48V/54V ~ 12V 쿼터브릭

BMR352 — 2kW 비분리, 정격 12V IBC(쿼터브릭)

• 입력 40V ~ 60V, 출력 8V ~ 13.2 V
• 최대 2kW 연속, 3kW 피크 전력
• 최대 98% 피크 효율, PMBus, 병렬 처리를 위한 유효 전류 공유
• 손쉬운 열/기계 통합을 위한 표준 쿼터브릭 실장 면적

사용 사례: 광범위한 부하 역학에서 엄격한 전압 허용 오차 범위가 필요한 베이스 기판 및 슬레드용 정격 12V 레일

그림 3: Flex Power Modules의 BMR352(이미지 출처: Flex Power Modules)

3. 고정 비율 4:1 중간 버스 컨버터

BMR323 - 비분리, 디지털, 고정 비율 8:1

• 입력 40V ~ 60V → 출력 5.0V ~ 7.5V
• 비정격 8:1 비율
• 대상: 600W 연속, 1.2kW 피크 전력
• 최대 97.7% 효율(50% 부하(54Vin) 기준)
• 8:1 토폴로지의 이점을 활용하는 메모리 및 보조 부하를 공급하는 6V ~ 7V 중간 레일에 이상적

그림 2: Flex Power Modules의 BMR316(이미지 출처: Flex Power Modules)

냉각 방식의 전환을 위한 설계

액체 냉각 방식이 더 광범위하게 사용됨에 따라, 전력 모듈은 냉각판, CDU 및 매니폴드 라우팅과 호환되어야 합니다. 공기를 이용한 방식으로부터 칩 직접 냉각 방식 및 침수 방식으로의 전환은 앞으로도 계속되나, 하이브리드 냉각 솔루션에서 공기는 여전히 열 제거의 약 20%를 담당하게 될 것입니다. 따라서 모듈 효율성은 여전히 매우 중요하며, 컨버터당 10W ~ 20W의 손실만을 줄여도 랙당 킬로와트로 누적되므로 펌프 및 냉각기의 부하가 완화됩니다. 스윗 스팟에서 98% 수준으로 작동하는 Flex Power Modules의 정격 QB 및 소형 LGA 모듈은 이 새로운 환경에서 열에 잘 견디도록 설계되었습니다.

이제 전력은 AI 인프라의 결정적인 제약 조건입니다. 무차별적인 힘이 아닌 더 스마트하고 밀도가 높으며 냉각된 전력으로 랙 유닛당 더 많은 컴퓨팅을 제공하는 아키텍처가 시장을 선점하게 될 것입니다. 고효율 IBC와 다이 근접 전압 조정으로 고정된 3단계 DC/DC 변환을 통해 이러한 발전이 달성됩니다. BMR316/BMR352/BMR323의 출시와 함께 8:1 등 더 높은 전력 레벨과 더 큰 변환 비율을 제공할 수 있는 새로운 솔루션 개발을 통해, Flex Power Modules은 기판 공간이나 열 마진을 희생시키지 않으면서도 더 높은 전력을 구현할 수 있는 드롭인 솔루션을 제공합니다.