[전망] 하이퍼스케일 데이터센터와 전력 반도체 설계 과제는
  • 2022-04-05
  • 글/ 바이코(Vicor Corporation)


바이코, 2022년 전력전자 시장 전망 예측

 전망 1  신속한 대량의 데이터 처리 요구가 증가함에 따라 하이퍼스케일 데이터센터 성장이 가속화될 것이다.

이머전 리서치(Emergen Research)의 최근 보고서에 따르면, 2022년 전세계 하이퍼스케일 컴퓨팅 시장은 지난해 약 1,470억 달러에서 급격한 상승세를 이어가며, 2028년까지 연평균 성장률 27.4%의 매출 규모를 기록할 것으로 전망되고 있다.
 

주요 성장 동인으로는 클라우드 작업부하 증가, 데이터센터 최적화, 소셜 미디어 플랫폼 및 서비스형 데이터(DaaS: Data-as-a-Service) 출현 등 다양한 요인이 작용할 것으로 보인다.

이 기간 동안 하이퍼스케일 컴퓨팅 플랫폼에 전력 반도체를 설계하는 기업들은 지속적인 매출 성장을 견인하기 위해 다음과 같은 직면 과제들을 해결해야 한다.

그림 1를 참조하면, 프로세서의 전류가 증가함에 따라 열관리 문제가 크게 대두될 것이다. 이 문제를 해결할 수 있는 두 가지 방법은 다음과 같다:



A) 분산형 소스 전원 레일 증가: 즉 12V에서 48V로
B) 전류 멀티플라이어(전압 분배기)를 부하에 근접 배치하여 전력의 이동거리 감소


이러한 기법은 I2R 손실을 줄임으로써 열관리 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 열관리 감소는 소스전력(FLOPS/Watt)의 가용성을 높여준다.

AI/ML(Artificial Intelligence and Machine Learning), 수퍼 컴퓨팅과 하이퍼스케일 컴퓨팅과 같이 3가지 고성능 컴퓨팅(HPC: High-Performance Computing) 애플리케이션은 각각 고유한 요구사항을 필요로 한다.

AI/ML의 목표는 방대한 양의 데이터에서 유의미한 분석 모델(트레이닝)을 만드는 것이다. 이는 예측 가능하고, 반복적으로 수행되어야 하며, 지연시간이 매우 짧아야 한다. 이러한 목표를 달성하기 위해 특화된 프로세서와 컴퓨팅 시스템이 개발되고 있다. 예를 들어, 엔비디아(Nvidia)의 DGX와 세레브라스(Cerebras)의 CS-2 시스템 등이 있다. 이러한 플랫폼은 10nm 공정에서 제조된 초고성능 프로세서를 사용하며, 현재는 7nm 및 5nm로 이동하고 있다.

이러한 프로세서의 코어 전압 레일은 0.8V ~ 0.66V 범위에서, 더 나아가 0.34V로 이행하고 있으며, 정상상태 전류는 1kA 미만, 피크 전류는 2kA 이상에 이르고 있다.

이러한 높은 전류에서의 전력분배는 I2R 손실을 관리하는 것이 매우 중요해지고 있다. 부하에 근접 배치된 전류 멀티플라이어를 이용한 측면 전력분배는 최대 500A의 부하 전류까지 PDN을 줄이는데 도움이 되는 반면, 수직 전력분배는 1kA 이상의 부하 전류까지 PDN을 더욱 줄일 수 있다.

하이퍼스케일 클라우드 컴퓨팅 데이터센터의 경우, 설계에 영향을 미치는 두 가지 주요 요인은 총 소유비용과 전력 사용 효율성이다. 랙에서 48V 분배를 사용하면, 랙 설치 공간을 줄이는 것은 물론, 확장 가능한 48V 배터리 백업 시스템을 사용하여 대형 무정전 전원 시스템을 제거할 수 있다. 이 모든 것을 통해 랙 밀도를 더욱 높임으로써 컴퓨팅 용량을 늘리고, 총 소유비용을 개선할 수 있다.

 전망 2   데이터센터 운영자들의 AC 또는 DC 전원 도입에 대한 논쟁은 계속될 것이다.

DC 분배의 몇 가지 매력적인 이점은 대형 AC-DC UPS 시스템을 제거할 수 있고, 컴퓨팅 부하 분배에 대해 걱정할 필요가 없다는 점이다. 그러나 제한된 고전압 DC 엔지니어링 인재의 가용성과 고전압 DC 에코시스템 컴포넌트(퓨즈, 고전력 차단 등)를 제공하는 여러 공급업체를 찾는데 따른 어려움 외에도, 고전압 DC에 사람이 노출될 위험성과 같이 허용될 수 없는 고유의 단점들이 있다.

최신 데이터센터는 건물에 3상 AC를 구축한 다음, 자체 UPS 시스템으로 백업되는 3개의 단상 AC 라인으로 분할하는 가장 일반적인 방식을 사용한다. 이러한 아키텍처는 선행 인프라 비용이 더 높을 뿐만 아니라 3단계 모두 작업부하를 균등하게 분배해야 한다.
이외에도 대규모 데이터센터 프로젝트 실행 측면에서 풍부한 전문지식을 갖춘 공급업체들의 뛰어난 에코시스템과 많은 인재 자원풀이 있다. AC 또는 DC 분배 선택과 관계없이 결국 모든 전자 부하는 낮은 전압의 DC로 동작한다는 점에 유의해야 한다.

따라서 일반적인 12V DC 분배에 비해 48V DC 분배를 통해 라스트 마일을 최적화하면, 전력손실 감소 측면에서 상당한 이점을 얻을 수 있다. 또한 고전류 PoL 레일에 직접 48V를 사용하면, 전력손실을 더욱 줄일 수 있어 열관리 오버헤드를 훨씬 더 많이 줄일 수 있다. 이러한 조합은 가용 입력 전압의 대부분을 사용하여 더 나은 T.C.O.에 부합하는 고밀도 컴퓨팅을 제공한다는 측면에서 훨씬 유리하다.

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