48V 전원 공급 방식으로 데이터 센터의 전력 문제 해결

5G와 그 이상의 통신 기술이 급격히 발전하면서 데이터 센터의 역할은 더욱 중요해지고 있습니다.
CPU, GPU, FPGA, ASIC 등 다양한 프로세서의 진화는 데이터 처리 능력을 높이고 있으며, 이러한 발전은 전원 설계에서 부하 변동과 열 관리와 같은 새로운 과제를 동반하고 있습니다. 이에 따라 48V 전원 공급 방식이 더욱 주목 받고 있습니다.
이번 포스팅에서는 데이터 센터의 전원 공급 문제를 48V 전원 공급을 통해 어떻게 해결할 수 있는지를 살펴보겠습니다.

1. 5G 사회를 지탱하는 데이터 센터의 발전
2. 데이터 센터의 전력 문제
3. 48V 직류 전원 공급의 현황
4. 고성능 · 고품질 벌크 캐패시터의 중요성

1. 5G 사회를 지탱하는 데이터 센터의 발전

5G 서비스가 보편화되면서, 데이터 센터는 다양한 새로운 서비스와 애플리케이션을 지원해야 합니다. 2030년까지 5G 기술의 발전으로 통신 성능이 크게 향상될 것으로 기대되며, 이는 원격 의료, 스마트 시티, 자율주행차 등 다양한 분야에서의 혁신을 가능하게 할 것입니다. 이러한 변화에 발맞춰 데이터 센터의 발전도 필수적입니다.

실제로, 연산을 수행하는 CPU, ASIC 등의 고성능 프로세서는 대용량 처리 및 새로운 애플리케이션에 대응하기 위해 다코어화 및 고클럭화를 통한 성능 향상이 이루어지고 있습니다. 또한, 이종 프로세서의 조합을 통한 효율적인 성능 향상에 대한 노력이 활발히 진행되고 있습니다.

기존 데이터 센터에서의 고성능 프로세서는 서버에 사용되는 CPU와 스위치, 라우터 등에 사용되는 통신 처리용 ASIC이 주된 것이었지만, 현재는 AI 구현을 위한 GPU 및 ASIC, 유연한 처리를 가능하게 하는 FPGA, 데이터 처리를 효율화하는 DPU 등 성능 최적화를 위해 사용되는 고성능 프로세서가 확대되고 있습니다. 

2. 데이터 센터의 전력 문제

데이터 센터의 발전과 함께 소비 전력이 증가하는 문제가 여전히 대두되고 있습니다. 이전에는 프로세서의 가공 공정 미세화로 연산 성능을 향상시키더라도 소비 전력을 억제할 수 있었습니다. 그러나 최근에는 물리적 제약으로 인해 미세화에 따른 전력 감소 효과가 작아지고 있다고 합니다. (무어의 법칙이 둔화)

이러한 배경으로 인해 서버를 비롯한 데이터 센터의 장비에서 소비 전력도 점차 증가하는 경향에 있으며, 이는 지구의 전력 고갈 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 전력 손실을 줄이는, 즉 열로 낭비되는 소비 전력을 줄이는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.

3. 48V 직류 전원 공급의 현황

(1) 48V 직류 전력 공급의 장점

48V 직류 전원 공급은 AC/DC 전원에서 각 연산 보드의 DC/DC 전원 입력까지 적용됩니다. 예를 들어, 12kW의 전력을 운반할 때, 12V에서 1000A는 48V에서 250A와 동일하지만 전력 손실 측면에서 큰 차이를 보입니다.(배전 손실=I²R)

가령 배전 경로의 저항을 0.1mΩ으로 설정했을 때의 배전 손실을 계산하면, 12V일 경우 100W, 48V일 경우 6.25W가 되며, 이는 16배의 차이가 발생합니다.

이러한 예와 같이 랙당 전력이 10kW를 초과하게 되면, 기존의 12V 직류 전원에서 발생하는 전력 손실은 허용할 수 없는 수준이 된다고 하며, 48V 직류 전원으로의 전환은 데이터 센터의 전력 절약에 큰 효과를 가져옵니다.

(2)전원 구성의 선택

48V 직류 전원을 사용하면 이후 단계의 DC/DC 변환기 전원 구성도 12V 직류 전원과 달라집니다. 크게 두 가지 방식이 있으며, 첫 번째는 48V에서 한 번에 부하 전압까지 낮추는 1단계 방식이고, 두 번째는 48V에서 중간 전압으로 일단락 한 후 두 번째 전원에서 부하 전압으로 변환하는 2단계 방식입니다.

이 두 가지 방식 각각은 장단점이 있으며, 설계 요구 사항에 따라 선택됩니다.

현재 주류라고 생각되는 방식은 2단계 방식으로, 48V 도입 초기 단계에서 기존 12V 서버와의 호환성과 안정적인 부품 공급이 중요하기 때문입니다. 호환성을 실현하는 간단한 방법으로는 소형 48V-12V 변환 보드를 기존 12V 서버 보드에 추가하는 방법이 있습니다.

전원 효율성 측면에서는 2단계 방식으로 인해 효율이 크게 저하될 수 있지만, 다음과 같은 방법으로 전체 효율을 유지하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다:

• 전원 자체 개선: 비안정화 출력 및 공진 스위칭 방식(1단계)이나 낮은 입력 전압(2단계)을 통한 고효율화
• 전압 및 경로 조정: 각 전원의 배전 전압 및 경로 길이 최적화를 통한 전체 배전 손실 감소

4. 고성능 · 고품질 벌크 캐패시터^*의 중요성

이러한 2단계 전원 구성에서 안정적인 동작을 위해 적절한 부품 선택이 중요합니다. 특히, 최신 기술을 적용한 고성능 캐패시터가 전원 안정화에 중요한 역할을 하고 있습니다. 파나소닉의 다양한 캐패시터가 이 과정에서 유용하게 사용될 수 있습니다.

구분	벌크 캐패시터 표준 정격	상품	특징
(1) 1st stage 입력 (40-60V)	47μF ～100μF	Aluminum Electrolytic Capacitors	저렴하고 대용량을 지지 (액체 전해질에 의한 온도 특성 및 용량 감소 우려 있음)
		OS-CON	전 고체에 의한 온도 안정성과 긴 수명 및 신뢰성을 지원 (신뢰성을 중시하는 경우 E-cap 사용 불가)
		Hybrid	반고체에 의한 E-cap과 OS-CON의 중간 특성을 지지
(2) 1st stage 출력 · 2nd stage 입력 (5-15V)	100μF ～470μF	OS-CON	대전류 변동 백업 및 전원 평활에 대용량 + 고리플전류 특성이 효과적
		POSCAP	기판 뒷면에 장착이 필요한 고밀도 서버나 엑셀러레이터 카드 등의 대전류 변동 백업에 2mm의 부품 높이가 효과적
(3) 2nd stage 출력 (<1.xV)	220μF ～1000μF	SP-Cap	대전류 변동 백업에 대용량 + 저 ESR 특성이 유효. 출력의 기판 표면은 면적 여유가 적은 경우가 많아, 뒷면 장착이 가능한 2mm의 부품 높이가 효과적
		POSCAP	소형 · 대용량으로 고밀도 서버나 엑셀러레이터 카드 등에 최적

파나소닉의 도전성 폴리머 커패시터는 전원 안정화에 중요한 벌크 커패시터^*로써 효과적입니다.

* 벌크 커패시터
전원 회로의 각 부분에서 가장 큰 용량을 가진 커패시터로, 더 작은 용량의 캐패시터와 병렬로 사용됩니다. 주로 입력 및 출력의 영향으로 인한 전류 증가 및 감소 시 전류를 공급하거나 흡수하여 전압 변동을 억제하는 역할을 합니다.

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