AI 응용 프로그램 요구를 충족하기 위한 전력 변환 효율 향상

AI 데이터 센터가 직면한 전력 문제

전기는 현대 사회와 경제 운영의 중심에 있으며, 전기차와 인공지능 응용 분야에 대한 수요가 증가함에 따라 그 중요성은 계속해서 커질 것입니다. 현재 전력 생산은 전 세계적으로 이산화탄소(CO2) 배출의 가장 큰 원인이지만, 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지의 급속한 확장을 통해 넷 제로 배출로의 전환을 주도할 수 있습니다. 소비자들이 안전하고 경제적으로 전기를 이용할 수 있도록 보장하면서 전 세계 이산화탄소 배출을 줄이는 것은 에너지 전환의 핵심 과제 중 하나입니다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 데이터 센터는 2022년에 전체 전기의 약 2%를 소비했으며, 이는 대략 460테라와트시(TWh)에 해당합니다. 암호화폐 및 인공지능/머신러닝(AI/ML)과 같은 에너지를 많이 소비하는 애플리케이션의 증가로 인해 이 숫자는 급격히 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 전력 소비 급증은 이러한 기술에 고성능 그래픽 처리 장치(GPU)가 배치되는 것에 기인합니다. IEA는 데이터 센터가 2026년까지 최소 650 TWh를 소비할 것으로 예측하고 있으며, 소비량이 1,000 TWh를 초과하는 것도 가능성이 없지는 않습니다.

인공지능 분야의 성장 속도는 매우 놀랍습니다. ChatGPT는 첫 5일 내에 100만 명의 사용자를 달성했으며 첫 두 달 동안 1억 명의 사용자에 도달하며 TikTok과 Instagram의 성장 속도를 훨씬 능가했습니다. GPT-4를 훈련하기 위해 1.7조 개의 매개변수와 13조 개의 토큰을 사용했으며, 25,000개의 NVIDIA A100 GPU가 필요하고 각 서버는 약 6.5kW를 소비합니다. OpenAI에 따르면, 이 훈련은 100일이 소요되었으며, 50GWh의 에너지를 소비했고 비용은 1억 달러가 들었습니다.

초기 데이터 센터는 그리드 전압을 중앙에서 12V로 변환하고 이를 서버로 전달하여 논리 수준 변환(3.3/5V)을 완료했습니다. 그러나 전력 요구량이 증가함에 따라 이 방식은 너무 많은 손실을 초래하게 되었습니다. 버스 전압을 48V로 증가시킴으로써 전류는 4배 감소하고, 손실은 16배 줄어들었습니다.

프로세서 전압이 3.3V 이하로 떨어져 서브 볼트 수준에 도달하면서, 상대적으로 높은 전력에서 여러 개의 전압 레일이 필요하게 되었습니다. 이에 따라 48V를 12V 로컬 버스로 변환한 후 더 낮은 전압 변환을 수행하는 DC-DC 변환기(중간 버스 변환기(IBC)로 알려짐)를 사용하는 2단계 변환 과정이 필요해졌습니다.

AI 데이터 센터에 필요한 효율적인 전력 변환

AI 데이터 센터의 전력 변환 요구 사항은 고성능 컴퓨팅과 방대한 데이터 처리 수요로 인해 특히 중요합니다. AI 데이터 센터는 대량의 데이터와 복잡한 계산 작업을 처리해야 하므로 높은 효율성과 고밀도의 전력 변환 시스템이 필요합니다. 효율적인 전력 변환기는 에너지 손실을 줄여 전체 시스템의 성능과 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

데이터 센터 운영에는 고도로 안정적이고 신뢰할 수 있는 전력 공급이 필요합니다. 전력 변환기는 다양한 부하 조건에서도 안정적인 전압과 전류를 제공하여 서버 및 기타 장비의 정상 작동을 보장해야 합니다. 또한 효율적인 전력 변환 시스템은 열 발생을 줄일 수 있지만, 효과적인 열 관리도 여전히 필요합니다. 최적화된 열 설계는 시스템의 온도를 안전한 범위 내로 유지하여 장비의 수명을 연장하고 성능을 개선하는 데 도움을 줍니다.

AI 애플리케이션이 빠르게 발전함에 따라 데이터 센터에 대한 요구도 계속 증가하고 있습니다. 전력 변환 시스템은 미래의 확장 요구에 유연하게 적응할 수 있도록 우수한 확장성을 가져야 합니다. 특히 AI 데이터 센터의 상당한 에너지 소비를 감안할 때, 에너지 효율 관리가 운영 비용 및 환경 영향을 줄이는 데 핵심적인 역할을 합니다. 효율적인 전력 변환기는 에너지 소비를 크게 줄이고 에너지 활용 효율을 개선할 수 있습니다.

데이터 센터의 높은 가용성을 보장하기 위해 전력 변환 시스템은 일반적으로 잠재적인 전력 장애를 처리할 수 있도록 중복 설계가 필요합니다. 중복 설계는 주요 전원 공급원이 실패할 경우 빠르게 전환하여 백업 전력을 제공하고 지속적인 시스템 운영을 보장할 수 있습니다. 또한, 환경에 대한 의식이 증가함에 따라 더 많은 데이터 센터가 태양광 및 풍력과 같은 친환경 에너지원을 통합하기 시작하고 있습니다. 효율적인 전력 변환 시스템은 이러한 재생 가능 에너지를 더 잘 통합하여 전체적인 에너지 효율성을 향상시키고 탄소 배출량을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

전력 변환 과정에서 전력 손실은 불가피한 현상입니다. 이러한 손실은 낭비되는 에너지를 의미하며, 비용을 발생시키고 열을 발생시키므로 이를 관리하기 위해 공간과 추가 비용이 필요합니다. 랙당 전력 요구량이 120kW에 달하는 하이퍼스케일 AI 데이터 센터를 운영할 때, 그리드 전력을 GPU 전압으로 변환하는 효율은 약 88%로, 이를 통해 발생하는 낭비 열은 약 15kW입니다. 이 열은 액체 냉각을 통해 관리되어야 합니다.

효율성과 전력 밀도(밀접하게 연결된 개념)는 서버 전력 설계에서 핵심 용어입니다. 주 전력망에서 공급되는 에너지는 최소한의 손실로 유용한 전력으로 변환되어야 합니다. 이를 실현하기 위해 위상(topology)은 지속적으로 발전하고 있으며, 동기 정류와 같은 기술이 개발되고, MOSFET이 정류기에서 손실이 많은 다이오드를 대체하고 있습니다.

토폴로지를 개선하는 것은 성공을 위한 절반의 노력일 뿐입니다. 효율성을 최적화하려면 모든 구성 요소가 가능한 한 효율적이어야 하며, 특히 변환 과정에 핵심적인 역할을 하는 MOSFET이 그러해야 합니다. MOSFET은 손실이 없는 장치가 아니며, 전도 및 스위칭 과정에서 손실이 발생합니다. 서버 전원 공급 장치가 크기를 줄이기 위해 높은 주파수 작동으로 전환됨에 따라 스위칭 손실이 개선의 주요 초점이 됩니다.

효율적인 onsemi PowerTrench® MOSFET

실리콘 MOSFET은 게이트 전압을 통해 소스와 드레인 단자 간의 전류를 제어합니다. 높은 효율성, 속도, 전력 처리 능력 덕분에, MOSFET은 전력 증폭기, 전압 조정기 및 스위칭 회로에서 널리 사용됩니다. 온세미(onsemi)의 저전압에서 중전압 범위의 T10 PowerTrench® MOSFET은 최신 차폐 게이트 트렌치 기술을 통해 스위칭 및 전도 손실을 줄여 주며, 이에 따라 크게 낮아진 Qg와 1mΩ 초과하지 않는 R_DS(ON)를 제공합니다. 업계 선도적인 소프트 리커버리 바디 다이오드는 링잉, 오버슈트, 노이즈 및 Qrr 손실을 줄이는 동시에, 빠른 스위칭 애플리케이션에서 성능과 리커버리를 균형 있게 제공합니다. 이전 디바이스와 비교했을 때, 이러한 새로운 MOSFET은 스위칭 손실을 최대 50%까지, 전도 손실을 30% 이상 줄일 수 있습니다.

onsemi의 새로운 40V 및 80V T10 PowerTrench 소자는 우수한 R_DS(ON) 성능을 제공합니다. NTMFWS1D5N08X (80V, 1.43mΩ, 5mm x 6mm SO8-FL 패키지)와 NTTFSSCH1D3N04XL (40V, 1.3mΩ, 3.3mm x 3.3mm 소스 다운 듀얼 쿨 패키지)는 우수한 성능 지표(FOM)를 자랑하며, AI 데이터 센터 애플리케이션의 전원 공급 장치(PSU) 및 중간 버스 컨버터(IBC)에 적합합니다. T10 PowerTrench MOSFET은 97.5% 이상의 효율을 요구하는 엄격한 Open Rack V3 효율 사양을 충족합니다.

성능이 개선된 저/중전압 MOSFET

onsemi에서 새롭게 선보인 저/중압 MOSFET, NTMFWS1D5N08X은 STD 게이트를 사용하는 SO8FL-HEFET 패키지의 단일 N채널 MOSFET입니다. 이 제품은 80V, 1.43mΩ, 253A를 지원합니다. 이 T10 80V MOSFET은 80V 시장에서 최고의 성능을 제공하는 제품 중 하나로, 클라우드 전원, 5G 통신, 기타 PSU 애플리케이션, DC/DC 및 산업용 애플리케이션에 최적의 솔루션을 제공합니다. 이 MOSFET은 더 나은 성능과 시스템 효율성 및 고출력 밀도 개선을 제공하며, 성능 특징은 비교적 낮은 편입니다.

NTMFWS1D5N08X는 FOM, Rsp 및 전력 밀도의 개선을 통해 성능을 향상시키고 비용을 절감합니다. 낮은 Rsp, 낮은 Qg/Qgd 및 낮은 Qgd/Qgs는 드라이버 손실을 최소화하여 전체 효율성을 높일 수 있습니다. 낮은 R_DS(ON)은 전도 손실을 최소화하고, 낮은 Qoss 및 Qrr은 스위칭 손실을 개선합니다. 부드러운 복귀 다이오드와 낮은 Qrr은 링잉(ringing), 오버슈트(overshoot) 및 노이즈를 줄여 견고성과 우수한 비클램프 인덕티브 스위치(Unclamped Inductive Switch, UIS)를 제공하여 고속 스위칭 애플리케이션에서 애벌랜치 견고성을 향상시킵니다. 이 디바이스는 Pb-프리, 할로겐/BFR-프리, RoHS 준수 제품입니다.

NTMFWS1D5N08X는 격리형 DC-DC 컨버터 및 모터 드라이브에서 DC-DC 및 AC-DC 동기 정류(SR)와 기본 스위치에 적합합니다. 일반적인 최종 제품에는 통신 전원, 클라우드 전원, 서버 전원, 데이터 센터, 모터 드라이브, 태양광 발전, 그리고 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 포함됩니다.

onsemi의 또 다른 저/중압 MOSFET은 NTTFS2D1N04HL로, 40V, 150A, 및 2.1mΩ을 지원하는 N-채널 차폐 게이트 PowerTrench® MOSFET입니다. 이 N-채널 중압 MOSFET은 차세대 PowerTrench® 기술을 사용하여 차폐 게이트 기술을 통합하여 생산되었습니다. 이 공정은 우수한 스위칭 성능을 유지하면서 온상태 저항을 최소화하도록 최적화되었습니다.

NTTFS2D1N04HL은 실드 게이트 MOSFET 기술을 활용하여 VGS = 10V 및 ID = 23A에서는 최대 R_DS(on)이 2.1mΩ, VGS = 4.5V 및 ID = 18A에서는 최대 R_DS(on이 3.3mΩ로, 스위칭 노이즈와 EMI를 줄여줍니다. 이 제품은 MSL1 기준을 충족하는 견고한 패키지 디자인을 제공하며, 100% UIL 테스트를 통과했으며 RoHS 규정을 준수합니다. NTTFS2D1N04HL은 다양한 응용 분야에 적합하며, 일반적으로 DC-DC 전원 공급 장치와 중간 전압 동기식 벅 컨버터와 같은 최종 제품에 사용됩니다.

결론

오늘날 빠르게 발전하는 인공지능 시대에서 전력 변환 효율 개선은 매우 중요합니다. 고효율 전력 변환 기술은 AI 응용 분야에서 요구하는 고성능 컴퓨팅과 대규모 데이터 처리 수요를 충족시키는 것뿐만 아니라 에너지 소비와 운영 비용을 크게 줄여 보다 지속 가능하고 환경 친화적인 목표를 달성할 수 있습니다. 지속적인 혁신과 첨단 전력 관리 솔루션을 채택함으로써 성능과 효율성 사이의 균형을 맞추고, 다양한 분야에서 인공지능 기술의 지속적인 발전과 최대 이익을 보장할 수 있습니다. 따라서 전력 변환 효율성을 개선하는 데 투자하는 것은 기술적 발전의 요구일 뿐 아니라 AI 혁신을 추진하는 데 있어 중요한 부분입니다.

onsemi에서 출시한 저전압 및 중전압 PowerTrench® MOSFET 제품 시리즈는 뛰어난 성능으로 AI 애플리케이션을 위한 데이터 센터에 적용될 수 있으며, 탁월한 전력 변환 효율을 제공하여 관련 애플리케이션에 적합한 선택지 중 하나로 자리잡고 있습니다.