인공지능 데이터센터의 전력 문제는 더 이상 GPU 장치의 소비전력이나 가속기의 효율에만 국한되지 않고, 전력망에서 칩 내부의 게이트까지 전기를 전달하는 전체 경로로 확대되었다. 서버 랙의 전력이 현재 약 125킬로와트에서 500킬로와트, 이어서 1메가와트까지 증가함에 따라 인프라 설계자들은 전력 변환 단계 수를 줄이고 손실과 열을 낮추며 데이터센터 내부의 구리와 공간을 절약하기 위해 800VDC 아키텍처로 향하고 있다.
Infineon Technologies의 녹색 산업 전력 부문 책임자인 Peter Wawer는 서버 랙의 전력이 현재 약 125킬로와트이며, 이후 500킬로와트로 상승한 다음 메가와트 수준에 도달하면 800볼트 DC-DC 변환 아키텍처로 전환될 것이라고 말했다. 이 체인은 일반적으로 최대 35킬로볼트에 이르는 중전압 전력망에서 시작한다. 여기서 고전압 교류를 적절한 수준으로 변환한 뒤 직류로 바꾸고, 최종적으로 GPU와 기타 가속기가 필요로 하는 1볼트 미만의 전압까지 낮춘다.
48볼트에서 800VDC로
기존 데이터센터는 대체로 48볼트 또는 12볼트 아키텍처를 사용해 왔다. 전력은 무정전 전원 공급 장치(UPS), 전력 조절 및 분배 장치(PDU), 48볼트 변환 단계를 거친 뒤 그래픽 프로세서 내부의 1.2볼트 또는 0.7볼트와 같은 전압에 도달했다. Keysight Technologies의 전력 전자 설계 소프트웨어 제품 책임자인 Steven Lee는 인공지능 부하가 요구하는 수준보다 데이터센터의 요구가 훨씬 낮았을 때에는 이러한 방식이 적합했다고 말한다.
제안된 800VDC 아키텍처에서는 교류 단계의 일부를 실리콘 카바이드를 사용하는 단일 AC-DC 인터페이스에 통합할 수 있다. 여러 단계를 순차적으로 거치는 대신 경로가 짧아지므로 각 단계와 관련된 스위칭 손실과 열이 줄어든다. Synopsys의 애플리케이션 엔지니어링 책임자인 Pavani Gottipati는 부품 공급업체와 데이터센터 운영자가 기존의 415VAC 아키텍처에서 800VDC로 전환하려면 솔리드 스테이트 변압기 도입을 포함해 부품 설계를 재고해야 한다고 본다.
전압을 높인다고 해서 필요한 전력이 그 자체로 증가하는 것은 아니지만, 같은 전력을 전달하는 데 필요한 전류는 줄어든다. 이에 Texas Instruments의 컴퓨팅 전력 기술 전문가인 Pradeep Shenoy는 전력 수준이 새롭게 높아진 상황에서 액체로 배전 버스바를 냉각하더라도 약 50볼트에 머무는 것은 실용적이지 않다고 본다. 또한 400볼트와 같은 중간 수준을 거치는 방식도 매력적이지 않을 수 있다고 지적한다. 랙 전력이 계속 빠르게 증가한다면 시설이 800볼트에 도달하기 위해 다시 설계해야 할 수 있기 때문이다.
더 높은 효율과 더 적은 공간 및 구리
800VDC 아키텍처는 더 높은 전력 밀도와 더 가벼운 변압기, 더 작은 전력 분배 부품 공간을 제공한다. 동일한 전력에서는 전압이 높을수록 전류가 낮아지므로 48볼트에서 필요한 두꺼운 도체 대신 더 가는 전선을 사용할 수 있다. 이는 높은 전류로 전력을 전달할 경우 많은 양의 구리를 소비하고 랙에 열적·기계적 제약을 가할 수 있는 인공지능 데이터센터에서 특히 중요하다.
또한 각 단계의 제한적인 효율 향상도 전체 변환 체인에서 누적된다. Shenoy는 한 전력 변환 단계에서 입력을 12볼트에서 6볼트로 전환하면 약 2%의 효율을 확보하고 동일한 공간에서 약 30% 더 많은 전력을 제공할 수 있다고 말했다. 그는 전체 효율이 1퍼센트포인트 증가하는 것만으로도 클라우드 서비스 제공업체와 데이터센터 운영자에게 운영상·재정상 중요한 영향을 줄 수 있다고 덧붙였다.
이러한 이점은 데이터센터에만 국한되지 않는다. Siemens EDA의 배터리 기술 수석 이사이자 글로벌 책임자인 Puneet Sinha는 여러 기업이 800볼트 배터리 아키텍처로 향하고 있으며 충전 측면에서 잠재적인 이점이 있지만, 그에 따라 인버터와 시스템 관련 전자장치에도 새로운 요구 사항이 부과된다고 지적했다.
SiC, GaN 및 솔리드 스테이트 변압기의 역할
일부 800VDC 설계에서는 솔리드 스테이트 변압기가 철심을 사용하는 기존 변압기를 점차 대체하고 있다. 솔리드 스테이트 변압기는 고전압 교류 전력망에 직접 연결한 뒤 선택한 아키텍처에 따라 저전압 교류를 출력하거나 800VDC로 직접 변환할 수 있다.
실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN) 같은 와이드 밴드갭 소재는 더 높은 스위칭 속도와 더 낮은 열 손실을 제공하며, 더 작고 가벼운 자기 부품을 가능하게 한다. 전선으로 감은 기존 변압기와 비교해 평면형 변압기는 높이를 낮추고 랙 내부 공간을 더 높은 밀도로 활용하는 데 도움을 준다.
그러나 실리콘에서 SiC 또는 GaN으로의 전환은 단순한 교체가 아니다. 더 높은 스위칭 속도는 전자기 간섭과 노이즈 문제를 키우며, 안정적인 제어 루프와 서로 다른 게이트 구동 신호, 적절한 자기 부품 설계를 요구한다. 소재 선택은 여전히 전압 등급과 애플리케이션에 따라 달라진다. 스위칭 속도가 더 느린 일부 변압기에는 IGBT가 여전히 적합할 수 있지만, Wawer는 고전압·고속 스위칭 솔리드 스테이트 변압기가 특히 SiC에 적합하다고 본다. GaN 역시 효율과 전력 밀도, 넓은 전압 범위에서 작동할 수 있는 능력 때문에 사용된다.
아키텍처와 운영에서 실제로 달라지는 점
전력 요구 사항은 부하 자체에 가까운 곳에서도 달라지고 있다. PMIC 전력 관리 회로는 더 이상 주변적인 요소가 아니라 시스템 성능의 핵심 부품이 되었다. 프로세서와 메모리에 더 가까운 전원 레일을 생성하고, 더 정밀한 전압 조정과 실시간 측정, 통합 시퀀싱을 제공하며, 변환 손실을 줄이고 부하의 빠른 변화를 지원하기 때문이다.
DRAM 속도가 높아지면서 메모리 시스템에도 추가적인 부담이 발생한다. 전압이 조금만 떨어져도 메모리 타이밍 오류가 발생해 데이터 손상이나 서버의 다른 장애로 이어질 수 있다. 이에 따라 메모리 전력 솔루션은 DDR5 모듈에 통합된 PMIC로 이동했으며, 부하 전류와 전압 조정의 정확도, 갑작스러운 변화에 대한 응답성과 관련된 과제는 계속되고 있다.
칩 수준에서는 전력망만 다시 설계하는 것으로 충분하지 않다. Shenoy는 프로세서의 계산 효율 향상이 여전히 핵심 경로라고 강조한다. 한편 Imagination Technologies와 같은 기업은 효율적인 GPU 기술을 엣지 및 자동차 애플리케이션에서 데이터센터를 겨냥한 더 큰 규모로 확대하려는 수요를 보고 있다. Synaptics의 John Weil은 비전 및 언어 모델을 포함한 인공지능 모델의 발전이 짧은 기간에 더 큰 컴퓨팅 능력에 대한 수요를 높이고 있다고 지적한다.
반면 800VDC로의 전환은 특히 기존 데이터센터를 개조할 때 안전 측면에서 큰 과제를 제기한다. Cadence의 수석 제품 엔지니어인 Hoa Tram은 교류 고장을 차단하도록 설계된 분리 장비, 차단기, 퓨즈 및 절연 스위치를 직류용으로 등급이 지정된 장비로 교체해야 한다고 말한다. 또한 새로운 측정 및 경보 시스템을 통합하고, 작업자에게 서로 다른 장비를 다루는 방법을 교육해야 한다.
설계의 다양성은 복잡성을 더욱 높인다. 일부 시설은 800볼트 단극성 버스를 사용할 수 있는 반면, 다른 시설은 ±400볼트 양극성 구조를 선호할 수 있으며, 이는 상호운용성, 보호 시스템, 그리고 작업자에게 요구되는 교육 및 인증에 영향을 미친다. 동시에 일부 데이터센터는 더 효율적인 변환기를 활용하면서 48볼트 구조를 계속 유지할 수도 있다. 예를 들어 Binghamton University의 엔지니어들이 개발한 실험실 모델은 부하 지점용 단상 변환기에서 10%에서 12% 더 높은 효율과 이전 속도의 약 두 배에 달하는 빠른 변화율을 보여주었다.
이러한 발전은 800VDC가 단일 구성 요소가 아니라 전력망에서 칩 내부의 게이트까지 이어지는 전력 사슬의 재설계임을 보여준다. 이러한 비전을 실현하려면 더 효율적인 변환기, 소재, 반도체 및 전력 관리 회로가 필요하며, 보호, 냉각 및 운영 측면의 업데이트도 필요하다. 그러나 인프라와 전력망 구축의 지연은 적용 속도를 제한할 수 있다. 캐비닛 수준에서 수십 또는 수백 킬로와트, 데이터센터 수준에서 메가와트, 이어서 수십 또는 수백 메가와트로 수요가 증가하더라도 마찬가지다.