이 기술 원고는 IT 및 시설의 복잡도를 높이는 작업에 대해 개략적으로 소개한다. 과제 해결을 위해 반도체 솔루션을 사용하는 서버 및 저장 장치 전력 엔지니어들을 위한 통찰, 선택 및 설계 옵션을 제공한다. <글/Richard Chung, 기술 마케팅 이사, 페어차일드 반도체>
일일 작업들은 데이터센터의 서버와 저장 장치 하드웨어에 어떠한 영향을 줄까? 다음 예에서는 IT 전문가 및 하드웨어 엔지니어들이 설계 구현 중에 직면하는 매우 다양한 구성들을 보여준다.
날로 증가하는 데이터 액세스, 비즈니스 분석 및 트랜잭션의 속도는 와트당 명령 또는 트랜잭션, 와트당 성능, 전력 효율 지수(PUE) 같은 단위들로 측정된다. 사진이나 동영상 업로드, 소셜 미디어 애플리케이션에 대한 액세스로 인해 네트워크 및 저장 장치 관련 요구사항이 크게 늘어나고 있다. I/O, DRAM, 저장 장치 및 (데이터센터 IT 장비를 세계와 연결하는) 네트워크와 함께 사용되는 마이크로 프로세서의 처리 효율성이 높아지면서 자동화 또는 알고리즘 트레이딩을 수행하는‘봇(bot)’은 눈 한 번 깜박이는 것보다 훨씬 더 빠르게 금융시장 트랜잭션을 처리할 수 있게 되었다.
가상화, 소프트웨어 관리, 클라우드 컴퓨팅으로 데이터센터 서버 및 저장 장치 활용도는 늘어났지만 드물게 사용되는 애플리케이션들은 서버를 사실상 사용되지 않는 상태로 남겨둔다. 트랜잭션 및 분석의 속도증가로 인해 동적 마이크로 프로세서, I/O 및 메모리에 대응할 수 있는 전력이 필요해졌다. 활용도 수준 및 수요의 증가에 따라 최소 규제 표준을 충족하고 열 관련 요건을 초과 충족하는 전력이 필요하다. 기술 요구에 대한 수요의 증가로 전기 및 열-기계적 극한 상황에 대응할 수 있는 전력이 필요해졌다.
전력 엔지니어들이 전력 예산 문제에 접근하여 그 문제를 해결하는 방법은 간단치 않다. 전력 예산을 맞추기 위해 전력 엔지니어들은 마케팅, 전기, 기계 또는 열 관련목표, 구성품들 간 상호작용, 공급업체 지원, 공급업체의 공급 연속성 및 시간적 압박 간에 균형을 맞추어야 한다.
이런 목표들 가운데 어느 것도 중요하지 않은 것은 없다. 모든 단계가 생산으로 이어지기 때문이다. 컴퓨팅 및 부하 관련 활용도에서 가변성이 증가한다는 것은 하드웨어 및 처리가 극한의 조건에 모두 대처할 수 있어야 한다는 의미이다. 그런 극한의 조건으로 인해 컴퓨팅이 가볍고 작업부하를 확장할 수 있는 마이크로 서버의 새로운 클래스가 시장에 등장하게 되었으며, 이는 보다 전통적인 고성능 서버 인프라를 보완한다. 구성품(마이크로 프로세서, DRAM, PCIe I/O, 기계 또는 솔리드 스테이트 저장 장치(SSS), 네트워크 인터페이스 카드(NIC))의 적절한 조합(수량 및 종류)과 N+1 중복 구성으로 서버 설계자들은 그런 작업들을 해결할 수 있는 제안을 제시하기 시작했다. 이런 구성품들은 전력 엔지니어들에게 전력 예산의 문제를 초래했다. 전력은 구성품의 동적 요구사항과 최소규제 요건을 충족해야 한다.
시설 및 IT 전문가들은 전기회사가 건물에 공급하는 전력 또는 용량 비율에도 제한을 받는다. 대체 에너지나 재생 에너지가 사용되지 않는 한, 전기회사가 생산하는 전력의 비율은 시설 및 IT 전문가들이 가장 생산적이고 효율적인 데이터센터를 구축하려 할 때 직면하는 제한 요소이다.
간단히 말해서, 가장 효율적인 데이터센터를 갖춘다는 것은 서버 랙에 가능한 한 많은 서버 마더보드를 넣고, 그것들이 안정성을 유지할 수 있도록 충분히 냉각한다는 것을 의미한다. 전력 예산은 이용 가능한 전력 내에서 최저의 전력 소비, 최고의 효율성 및 최고의 출력 밀도를 실현해야 한다.
활용도 수준은 최소 규제 요건을 충족하는 전력을 요구
AC-DC
전통적인 서버 전력 아키텍처는 각각 최대 500W를 소비하는 수많은 서버 마더보드에 전력을 공급하는 N+1 중복식 AC-DC 정류기(최대 2kW)로 시작된다. 컴퓨터, 컴퓨터 서버 및 내부 (AC-DC) 전력 공급 장치에 관한 유럽연합 위원회 에코 디자인 지침(European Commission Ecodesign Directive) 기준에 따라 서버 마더보드에 전력을 공급하는 AC-DC 정류기에 관한 다양한 효율성(η) 및 역률(PF) 최소 목표가 존재한다. 출력 500W 미만부터 1kW 이상까지의 (AC-DC) 정류기에서 효율성 범위는 70%~92%이며, 역률 범위는 0.8~0.95다. 서버에 전력을 공급하는 대부분의 정류기가 2kW 미만이기 때문에 DCDC 마더보드 전력 레일은 정류기의 출력 한도 미만으로 유지될 수 있도록 충분히 효율적이어야 한다.
전력 공급 장치(PSU) 또는 정류기 분야의 기술 트렌드는 유효 역률 보상(PFC) 또는 SiC 다이오드가 있는 브리지리스 PFC이며, 그 뒤에 한 개의 고전압 DC-DC 단이 이어진다. LLC 레소넌트 또는 위상 변이 풀 브리지(Phase-shifted full bridge) 제로 전압 변환(ZVS) 토폴로지. 최소 규제 한도를 충족하려면 여러 개의 변환 전력 변환단을 설계하는 동시에, 전력 소자 반도체의 적절한 조합을 선택해야 한다.
가장 중요한 문제는 시간 관리다. PSU 설계자들의 경우, 시간이 특히 중요한 문제들로는 다양한 전력 변환단을 요건에 맞춰 최적화하기 위해 위험을 관리하는 일, 최신 전력 반도체 기술 및 보통 디코더 링을 필요로 하는 부품 번호에 대한 최신 지식을 지속적으로 습득하는 일, 촉박한 마감 시한까지 시제품을 신뢰할 수 있는 테스트 결과와 함께 제출하는 일 등이 있다. 요건을 충족하는 적절한 조합을 찾기 위하여 부품 매트릭스를 테스트하는 데는 수주 또는 수개월이 걸릴 수 있다. 효율성을 높이기 위해 최신 기술 트렌드와 기법을 끊임없이 습득하는 것이 간단해질 수 있다.
엔지니어링 프로세스를 단순화하는 것은 최종 목표 그리고 솔루션을 어디에서 찾고, 비교하고, 최적화해야 하는가를 파악하는 것으로 시작된다. 0.8~0.95PF를 충족시키려면 AC 전원에서 공급되는 에너지를 효율적으로 사용해야 한다. PF 범위를 실현하기 위해 유효 PFC 변환 회로가 구축되는 경우, PFC 선택은 대부분의 2kW 미만의 설비를 위한 고전압(≥ 500V) 평면 및 초접합 MOSFET과 (≥600V) 탄화규소(SiC) 다이오드 또는 실리콘 고속 정류 다이오드(FRD) 기술이다. 보다 큰 전력 메인프레임 및 작동 주파수가 보다 낮은 애플리케이션의 경우 IGBT6가 PFC 회로에 대한 추가적인 선택안이 된다. GaN 및 SiC 트랜지스터 같은 다른 와이드 밴드갭(wide bandgap) 기술은 이 전압 범위 및 그 이상으로 자신들의 포지션을 계속 조정하고 있다. 각 후속적 초접합 MOSFET 세대들이 저항 및 전도 손실을 줄이고 있는 가운데 EOFF 및 EON과 관련된 변환 손실을 줄이기 위한 추가 작업이 진행되고 있다(그림 1 및 그림 2 참고).
PFC MOSFET 및 다이오드쌍의 여러 가지 조합들을 비교하는 한 가지 방법은 그림 3과 그림 4에서 볼 수 있듯이 온라인 디자인 툴들을 활용하는 것이다.
PFC 다음에 오는 고전압 DC-DC 단은 변환 손실을 더욱 최소화하고, 소자를 높은 역회복 전류로부터 추가적으로 보호하기 위해 견고한 다이오드와 함께 MOSFET 기술을 필요로 한다. FRFETⓡ MOSFET은 역회복 전하 QRR에서 27% 이상의 감소를 보여준다(그림 5참고). 보다 작은 삼각형 면적은 손실이 더 적음을 나타낸다. 견고한 다이오드는LLC 레소넌트 토폴로지에 중요하다.
또한 디자인 도구를 활용하여 PSFB 및 이차측 동기식 정류(SR) MOSFET의 다양한 조합들을 사용해 볼 수도 있다(예: 그림 6 및 그림 7). 문제에 대한 솔루션을 어디에서 찾아야 하는가를 알면 엔지니어링이 간단해지고 시간이 절약된다.
DC-DC
DC-DC의 기술 트렌드는 보다 많은 전류를 전달할뿐아니라, 전기 및 열-기계적 이점을 제공하는 보다 높은 출력 밀도다. AC-DC 정류기로부터 나오는 12VDC의 출력은 마더보드를 위한 주된 고출력 입력 버스가 된다. 대개의 경우 DC-DC 마더보드 전력 레일은 정류기의 출력 한도 이하로 유지될 수 있도록 충분히 효율적이어야 한다.
DC-DC와 관련된 중요 문제 중 한 가지는 전력 손실을 줄여 보다 높은 출력 밀도 트렌드를 지속시키기는 것이다.
저전압 변환 DC-DC 토폴로지에서 3가지의 대표적인 손실 구성품은 전력 MOSFET, 인덕터 및 MOSFET 드라이버다. 3개의 구성품 중 2개가 대부분의 손실을 열의 형태로 소산시키는 반도체 소자지만 MOSFET은 실리콘이나 패키지 중에서 어느 것이 더 저항이나 손실이 더 큰지 구별하기 어려운 수준으로 실리콘, 패키지 및 패키징 기술을 끊임없이 향상시킨다. 처음에는 분명하지 않겠지만 출력 밀도를 높이려고 할 때는 전력 관리 IC를 고려해 보자.
전력 관리 IC에서 눈에 띄는 최신 트렌드는 시스템 효율성을 높이고, 구성품을 줄이며, 크기를 줄이는 것이다. 오늘날의 MOSFET 드라이버는 5V 미만의 게이트 드라이브에 최적화된 MOSFET을 구동하고, 드라이버와 MOSFET 모두에 보다 적은 변환 손실을 활용할 수 있다. 보다 낮은게이트 드라이브 전압으로 인해 MOSFET에서의 열 손실이 더 적으므로, 보다 많은 통합 및 크기 축소가 여전히 가능하다(그림 6). 아마도 미래의 트렌드는 고전류 애플리케이션에서 5V 미만의 게이트 드라이브에 최적화된 전력 MOSFET과 게이트 드라이버이다. 보다 낮은 게이트 드라이브 전압과 보다 높은 전류를 실현하는 데는 여전히 기술적인 문제들이 있다. 디지털 제어 및 통신 제어 IC는 제어시스템 루프에 수동적 구성품이 보다 적으며, 납땜할 0402 크기의 구성품이 없다는 의미다.
COT(constanton-time), 비선형 제어 아키텍처 및 전류를 감지하는 대안적 방법들은 다상 컨버터(Multi-Phase Converter) 및 (인덕터의 크기를 줄이는) 보다 낮은 출력 인덕턴스 값을통해 부하 과도 응답을 향상시켰습니다. 모든 구성품 및 구성품 간의 상호작용은 변환 레규레이터의 형태를 띤다.
이런 12V 입력 다운(또는 벅) 변환단은 마이크로 프로세서, PCIe I/O 및 메모리 소자에 전력을 공급한다. 이런 소자들은 보다 높은 출력 밀도를 위한 수많은 전력 반도체옵션을 만들어내는 다양한 수준의 전력을 소비한다.
전력 수준이 매우 다르기 때문에 광범위한 통합 트렌치 기술 MOSFET 및 패키지 포트폴리오는 다양한 전력 수준을 위한 설계의 최적화가 가능하다. 그림 6에는 0.5 미만의 듀티 사이클을 위해 비대칭적으로 구성된 새로운 트렌치 MOSFET 기술과 다양한 전류 처리 옵션들이 통합되었다. 커패시터 효율성과 비교해서 소켓(Kelvin sense)은 전력을 운반하는 짧은 PCB 트레이스 거리(약 3인치 또는 7.5cm)의 저항이 약 2mΩ가 될 수 있는데, 이것은 위상당 소실이 거의 1W 수준이라는 것과 같은 의미다. 즉 거리를 최소화하는 것이 전력 손실을 줄일 수 있다고 추론할 수있다. 그림 7은 CPU에 전력을 공급하는 다상, 단일 출력,벅 컨버터에 이 기술이 통합된 예이다.
출력이 단상이든 다상이든(그림 8) 충분한 냉각이 제공되고, 출력 인덕터가 온도나 전류-유도된 인덕턴스 롤오프(roll-off)로 인해 포화되지 않는다면 각 위상은 30A 이상을 운반할 수 있다. 그림 8은 MOSFET + MOSFET 드라이버 모듈이다. 멀티칩 모듈은 고전류 애플리케이션에서보다 낮은 게이트 드라이브 전압, 전력 운반 구성품들 간의 거리 축소, 패키지 및 시스템 레이아웃 등을 통해 전력 손실을 낮추기 위해 기술적 문제들을 탐구하고 있다. 그림 9 및 그림 10에서 볼 수 있는 것과 같은 시간 절약형 도구는 많은 시간과 투자 없이도 동기식 벅 컨버터 MOSFET의 다양한 조합을 시도해 볼 수 있는 방법을 제공한다.
최소 규제 요건을 충족하는 것은 AC-DC PSU가 AC 전원에서 공급되는 에너지를 효율적으로 사용하는가에 달렸지만, DC-DC 마더보드 전력 레일은 정류기의 출력한도 미만으로 유지될 수 있도록 충분히 효율적이어야 한다. 최신 기술 트렌드를 놓치지 않고, 최신 구성품 제안 및 구성품들의 차이를 파악하며, 최적의 조합을 위해 구성품 상호작용을 확인하려면 시간과 끊임없는 자각이 필요하다. 공격적인 스케줄, 검색 및 엔지니어링 과제들을 보다 관리가 쉽게 만드는 데 도움을 주는 도구는 최종 목표에 집중하고 규제 요건을 충족하는 데 도움이 된다.
전기회사는 효율성 및 크기 면에서 한계에 도전
대체 재생 에너지로 전기회사가 공급하는 에너지를 보완할 방방이 없다면 데이터센터 시설이 이용할 수 있는 전력 비율은 한정적이다. 건물에 공급되는 에너지가 한정되어 있다는 것은 설치할 수 있는 서버 랙의 수에 제한이 있다는 의미한다. 전기를 가장 많이 소비하는 것은 냉각 및 IT 장비다. 가장 효율적인 데이터센터 구성이 필요한 시설 및 IT 팀들은 냉각 및 IT 장비(서버 및 저장 장치)의 전기 소비를 줄이기 위한 전략이 필요하다.
냉각
구성품들의 온도를 낮게 유지하면 안정성과 구성품의 성능이 높아진다. 구성품들이 얼마나 뜨거운 상태에서도 여전히 수용할 만한 안정성을 제공하는가에 대한 확신도 중요하다. 전문가 권고 및 IT 장비 사양에 따라 Google 데이터센터는 80°F(약 27℃)로 유지된다. 보다 에너지 효율적인 공냉식 및 수냉식 시스템에 대한 연구가 계속 진행 중이다. 일반적인 트렌드는 보다 효율적인 팬12 및 펌프를 사용하여 공기/물을 순환 및 냉각시키는 것이다. 팬 분야의 트렌드는 브러시리스 DC(BLDC) 모터라고도 하는 전자 정류 모터(ECM)다. 전부하 효율성 등급은 더 높지만 대부분의 모터는 부분 부하에서 가동된다. 평균적으로 AC 유도 모터(ACIM)는 효율성이 44%에 불과하다.
BLDC 모터는 보통 65~90%의 효율성으로 가동되며, 보다 효율적인 가변 속도 작동이라는 이점이 있다. 전통적인 ACIM은 유사한 부하 조건에서 효율성이 15~40%에 불과하다. BLDC를 개조하거나 새로 설치하면 다른 장비에 추가적인 전력 예산을 제공할 수 있다.
DC-DC
유한한 에너지 및 한정된 수량의 서버 랙으로 인해 단위 서버 랙당 보다 높은 생산성이 요구된다. 최저의 전력소비, 최고의 효율성 및 최고의 출력 밀도를 목표로 하는 것이 보다 많은 서버를 서버 랙에 설치하는 유일한 방법이다.
통합 MOSFET 및 MOSFET 드라이버 모듈을 더욱 개선하면 현저한 개선을 실현할 수 있다(그림 9와 그림 11참고). 빨간색 화살표는 0.5%의 효율성 개선을 나타내며,다상 운영에서 보다 높은 전류는 2%의 개선을 보여준다.
어떤 요소가 모듈의 내부 및 주변에서 전력 소비를 보다 개선할 수 있을까? PCB 트레이스 거리를 최소화하면 PCB 트레이스의 원치 않는 저항 및 반응 소자를 줄임으로써 전력 손실을 줄일 수 있다는 점을 기억하라. 한 가지 유사한 애플리케이션이 통합 모듈 내에서 전력 손실을 줄이는 데 효과적이다. 특정한 패키지 추적 와류는 전기 및 열관련 결과를 향상시킬 수 있다. 추가적인 MOSFET 추적와류 감소 및 재분배는 손실을 더욱 줄일 수 있다. 통합 게이트 드라이버는 전력 소비를 줄이고, 전원 및 제거 능력과 특성을 변경하며, 비정상적인 작동 중에 안전성을 떨어 뜨리지 않으면서 드라이버 부동 시간을 줄일 수 있다.
MOSFET 및 MOSFET 드라이버 모듈 기술과 발자국 (그림 12 및 그림 13참고)은 논리적 흐름에서 전기 및 물리적으로 다른 소자와 연결된다. 효율성을 높이고, 구성품과 크기를 줄이는 것 외에도, 레이아웃을 단순화하여 전력 손실을 줄이는 추가적인 이점이 있다. 그림 14는 통합 모듈과 인덕터 간의 거리를 더 줄이기 위한 방향을 보여주며, 그림 15 입력부에서 복귀 전력 접지까지의 전체 루프 거리가 보다 짧음을 보여준다. 레이아웃에서 전체적인 폭이 감소하면 전력 흐름을 위한 PCB 추적 와료도 감소한다. 이런 많은 방법들이 각각 100mW~2W 이상을 절약하며, 통합을 통해 크기가 축소되고 레이아웃이 단순해진다.
보다 낮은 전류 부하 지점(POL)에서는 전력 소비를 줄일 수 있는 추가적인 통합이 가능하다. 출력 및 입력 전압에 따라 이런 다중칩 전력 모듈에서는 95% 이상의 효율성을 얻을 수도 있다(그림 16).
요약
가장 효율적인 데이터센터 구성은 곧 가장 생산성이 높은 데이터센터를 실현한다. 전력 손실을 줄이고 효율성을 높이기 위한 전략에서는 시스템 및 세부적인 수준을 살펴보아야 한다. 효율성이 향상되면 냉각 시스템이 운반할 열이 더 적어지며, 구성품 및 크기를 줄일 수 있는 기회가 더 많아진다. 이런 각각의 향상은 100mW~2W에 불과하겠지만 모든 향상이 합쳐지면 한정된 서버 랙 및 에너지에서도 서버 장비의 수량이 적게는 20%에서 많게는 2배까지 증가할 수 있다. 기술은 데이터센터에서 보다 높은 와트당 성능을 필요로 한다. 우리의 과제는 통찰을 얻고, 그것을 바탕으로 데이터센터의 효율성을 높이는 최선의 방법을 실현하는 것이다.
<반도체네트워크 8월>