사람들의 생활 방식과 기업 운영을 지원하기 위해서는 엄청난 양의 데이터를 처리해야 하는 것이 필수적입니다. AI/ML, 전자상거래, 내비게이션 및 기타 현대 기술은 데이터 센터에서 제공하는 컴퓨팅 성능에 의존합니다. 우리는 종종 컴퓨팅 성능을 출력, 즉 주어진 시간 내에 완료된 프로세스의 양으로 여깁니다. 하지만 그에 못지않게 중요한 것은 입력입니다. 최대 성능을 발휘하려면 적절한 전원 공급이 필수적입니다. Bel에서 발표한 이 문서에서는 데이터 센터 응용 분야에서 티타늄 전력을 공급하는 것의 이점을 설명합니다.
최근의 가장 큰 기술 트렌드에 공통적으로 나타나는 점은 모두 엄청난 양의 컴퓨팅 성능을 필요로 한다는 것입니다. 인공지능과 머신 러닝(AI/ML)은 특정 알고리즘을 실행하기 위해 방대한 컴퓨팅 성능이 필요할 수 있으며, 이를 처리하기 위해 종종 슈퍼컴퓨터를 사용합니다. AI/ML은 알고리즘을 올바르게 학습시키기 위해 엄청난 양의 데이터가 필요한 경우가 많습니다. 클라우드 컴퓨팅과 마찬가지로, 이 정보를 저장하고 처리하려면 서버, 라우터, 스위치 등으로 가득 찬 데이터 센터가 필요한데, 이러한 모든 것이 대량의 전력을 소모합니다.
고성능 컴퓨팅에서 효율성이 점점 더 중요해지고 있습니다.
이 차세대 컴퓨팅은 이러한 기계를 작동하는 데 필요한 부품과 시스템에 더 엄격하게 요구하고 있습니다. 이 모든 컴퓨팅 애플리케이션에서 가장 중요한 것은 전원 공급입니다. 더 이상 단순히 전력을 공급하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 열적 제약 조건을 충족해야 하며, 더 높은 전력 효율을 달성해야 하고, 중복성을 구현해야 하며, 높은 신뢰성이 필요합니다.
잘 설계된 컴퓨팅 시스템은 이러한 모든 요소를 고려합니다. 실제로 일부 요구 사항에 부과된 규정과 인증은 특정 기준을 충족하는 전력 공급을 식별하는 데 도움이 됩니다.
그러한 예 중 하나가 80 PLUS입니다. 이는 전력 공급 장치에 대한 엄격한 요구 사항을 설정하여 에너지 효율성을 보장합니다. 시방서에는 전력 공급 장치가 다양한 부하 수준(20%, 50%, 100%)에서 최소 80%의 에너지 효율을 달성해야 한다고 요구하고 있습니다. 예를 들어, 기본 80 PLUS 인증을 받으려면 전원 공급 장치가 지정된 부하에서 80% 효율로 작동해야 합니다. 청동, 실버, 골드, 플래티넘, 티타늄 등 상위 등급의 인증에 대한 기준은 점점 더 엄격해집니다.
80 PLUS 프로그램이란 무엇인가요?
80 PLUS 프로그램은 2000년대 초에 시작된 인증 프로그램입니다. 처음에는 Ecos Consulting에서 구성했지만 현재는 CLEARResult에서 운영하고 있습니다. 이는 제조업체가 컴퓨터에 사용하기 위한 에너지 효율적인 디자인을 홍보하는 데 도움을 주는 자발적인 프로그램입니다. 80 Plus 인증을 충족하려면 전원 공급 장치는 정격 부하의 20%, 50%, 100%에서 최소 80% 효율을 가져야 하며 100% 부하에서 0.9 이상의 역률을 달성해야 합니다.
하지만 전력 효율과 역률은 정확히 무엇일까요?
전력 공급 장치 효율 계산
두 가지 측정 기준 중 더 잘 알려진 것은 전력 효율일 것입니다. 간단히 말해서, 전력 공급 효율은 전체 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율을 백분율로 표현한 것입니다.
효율성 [%] = x 100
방정식 1
전력 공급 장치에 사용되는 전자 부품의 비이상적인 영향으로 인해 100% 효율은 불가능합니다. 이러한 효과로는 트랜지스터와 정류기와 같은 능동 부품의 스위칭 및 전도 손실, 전선, 권선, PCB 트레이스의 저항 손실, 변압기의 AC 손실 등이 있습니다. 이러한 구성 요소에서 손실되는 에너지는 일반적으로 열의 형태로 소산되며, 이로 인해 추가적인 문제가 발생할 수 있습니다.
역률 계산
역률은 좀 더 복잡합니다. 유효 전력과 피상 전력의 비율이며 최대값은 1입니다. 실제 전력은 와트로 측정하며, 이는 전력 공급 및 부하에 작용하고 소비되는 전력을 나타냅니다. 실제 전력과 90도 위상 차이가 있는 것은 무효 전력이며, 볼트-암페어 무효 전력(VAR)으로 측정합니다. 무효 전류는 시스템 내에서 아무런 일도 하지 않고 그냥 순환합니다. 피상 전력은 실제 전력과 유효 전력의 벡터 합의 크기이며, 이는 전압과 전류의 실횻값을 곱한 값과 같습니다.
그림 1. 실제 전력과 무효 전력의 구성 요소 및 그에 따른 피상 전력 벡터를 보여주는 전력 삼각형.
역률 =
방정식 2
순수 저항 회로에서는 역률이 1이고 모든 피상 전력이 작업을 수행합니다. 그러나 인덕터나 커패시터와 같은 무효 전력 소자가 회로나 부하에 도입되면 전류 파형이 전압에 비해 이동하고 무효 전력이 추가되어 역률이 떨어집니다. 전환 전력 공급 장치와 같은 비선형 회로에서도 걱정해야 할 고조파가 있습니다. 고조파 전류는 무효전력이기 때문에 역률도 낮춥니다.
낮은 역률의 영향으로 입력 전류가 증가합니다. 이로 인해 더 크고 비싼 케이블 및 배전 네트워크가 필요하게 되고, 분기 회로의 용량이 감소하고 비용은 상승합니다.
설계자가 인증을 받지 않은 다른 전원 공급 장치가 아닌 80 Plus 인증 전원 공급 장치를 선택하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 가장 큰 이유는 비용 때문입니다. 효율성이 높은 공급 장치는 전력 낭비를 줄입니다. 즉, 더 효율적인 전력 공급 장치는 대규모 시설의 운영 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 낭비되는 전력은 일반적으로 열 형태로 소멸되는데 이로 인해 비용을 추가하고 냉각 시스템을 설치해야 하는 경우가 많으며, 이는 귀중한 공간을 차지할 뿐 아니라 불필요한 소음을 발생시킵니다. 열이 적고 작동 팬이 적거나 없으면 제품의 수명과 시스템의 전반적인 안정성을 늘리는 데 도움이 됩니다.
80 PLUS 효율 레벨
이름에서 알 수 있듯 80 Plus 인증이 처음 도입되었을 당시에는 20% 부하, 50% 부하, 100% 부하에서 전력 공급 효율이 최소 80% 이상이면 인증을 받을 수 있었습니다. 이 수준의 효율성을 이제 80 Plus Basic이라고 합니다. 이 프로그램이 도입된 이후로 5개의 추가 인증 등급이 생겼습니다. 80 Plus 프로그램은 현재 다음과 같은 수준의 인증으로 구성되어 있습니다.
그림 2: 현재 80-Plus 등급.
각 인증은 AC 입력 전압을 기준으로 다시 하위 범주로 세분됩니다. 이를 통해 제조업체는 세계 여러 지역을 타겟팅할 수 있습니다. 이러한 하위 범주에는 115V 내부 비중복, 230V 내부 중복, 115V 산업용, 230V EU 내부 비중복, 380V 직류가 포함됩니다.
아래 표에는 다양한 수준의 인증과 3가지 하위 범주가 간략하게 설명되어 있습니다. 또한 최고 수준의 인증인 80 Plus Titanium은 10%의 추가 정격 부하를 도입했다는 점도 주목할 만합니다.
전원 공급 장치는 일반적으로 정격 부하의 50%~75% 사이에서 가장 효율적입니다. 그러나 부하가 가벼우면 전원 공급 효율이 크게 떨어질 수 있습니다. 실제로 Titanium 등급의 전력 공급을 제외하고, 80 Plus 인증을 받은 전력 공급은 부하가 20% 미만일 때 효율성이 80% 미만으로 떨어질 수 있습니다. 즉, Titanium 인증 수준에 도달하려면 모든 전원 공급장치가 정격 부하의 10%에서 최소 90%의 효율을 가져야 합니다.
| 80 플러스 테스트 유형 |
115V 내부 비중복 |
230V 내부 중복 |
230V EU 내부 비중복 |
|||||||||
| 정격 부하 % | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% |
| 80 플러스 | 해당 없음 | 80% | 80% | 80% | - | - | - | - | - | 82% | 85% | 82% |
| 80 플러스 Bronze |
해당 없음 | 82% | 85% | 82% | - | 81% | 85% | 81% | - | 85% | 88% | 85% |
| 80 플러스 은 |
해당 없음 | 85% | 88% | 85% | - | 85% | 89% | 85% | - | 87% | 90% | 87% |
| 80 PLUS 금 |
해당 없음 | 87% | 90% | 87% | - | 88% | 92% | 88% | - | 90% | 92% | 89% |
| 80 PLUS 백금 |
해당 없음 | 90% | 92% | 89% | - | 90% | 94% | 91% | - | 92% | 94% | 90% |
| 80 플러스 Titanium |
90% | 92% | 94% | 90% | 90% | 94% | 96% | 91% | 90% | 94% | 96% | 94% |
표 1: 내부 교류/직류 전력 공급 장치의 80 PLUS 효율 등급
고효율성의 중요성
전력 소비를 줄인 환경 친화적인 제품을 만드는 것도 물론 중요하지만 비용 측면에서는 전력 공급 장치의 효율성을 개선하는 것도 중요합니다. 서버 팜과 데이터 센터는 시스템에 더 효율적인 전력 공급을 통합하여 상당한 비용을 절감할 수 있습니다.
낭비되는 전력은 다음 방정식으로 계산됩니다.
Pwaste
방정식 3
예를 들어, 1000W의 Gold 인증 전력 공급은 최대 부하 시 87W의 전력을 낭비합니다. 이는 92%의 효율을 내는 230V 비중복 공급을 기준으로 산출합니다. 반면, 티타늄 등급(효율성 96%)의 동등한 1000W 전원 공급장치는 단 42W의 에너지만 낭비하며, 전력 소모를 52% 줄일 수 있습니다.
1년은 8,760시간입니다. 전력 공급 장치가 항상 작동한다고 가정하면, 연간 총 에너지 소비량을 다음과 같이 kWh로 계산할 수 있습니다. (1000W + 87W) * (8760시간/년) / (1000W/kW) = 9522kWh/년.
마찬가지로 96%의 효율을 내는 전력 공급 장치의 경우 소비량은 9,128kWh로 산출됩니다. kWh당 약 $0.15(약 201원)의 요금이 부여되므로, 처음에는 연간 394kWh의 차이(전력 공급 장치당 연간 약 $59(약79,116원))가 크지 않은 것처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 이는 단일 전력 공급만을 비교했다는 사실을 기억해야 합니다. 데이터 센터와 서버 팜에는 수천 개의 장비 랙이 있으며, 각 랙에는 여러 개의 전원 공급 장치가 필요합니다. 비용 절감 효과는 매우 빠르게 나타나며 절감액이 금세 수십만 달러에 이를 수 있습니다.
그림 3: Platinum 및 Titanium 정격 전력 공급 장치 간 전력 소멸 비교.
고효율 전력 공급 장치의 미래
컴퓨팅 센터가 성장하고 응용 분야의 요구 사항 수준이 더욱 높아짐에 따라 고효율 전력 공급 장치의 중요성이 그 어느 때보다 높아질 전망입니다. 이는 비용 절감과 안정성 향상에 도움이 될 뿐만 아니라, 필요한 열과 공간을 줄여 시스템을 실현하는 데 도움이 될 것입니다. 일부 이상적인 솔루션에는 Bel Power Solutions의 Titanium 인증 전력 공급 제품군과 같은 전력 공급 장치가 포함됩니다.
그림 4: TEC1300, TET1500, TET3600 AC-DC 프론트 엔드 전력 공급 장치.
Bel Power Solutions는 Titanium 80 Plus 등급 인증을 받은 전력 공급 장치 제품군 14개와 30개 이상의 제품을 제공합니다. Bel은 전자 제품 설계 분야에서 풍부한 경험을 바탕으로 Titanium 인증을 받은 프런트엔드 설계의 가장 광범위한 선택 범위를 제공합니다. 추가 제품이 필요할 경우, Bel Power Solutions에서는 맞춤형 전력 공급 장치 옵션도 제공합니다. 고객은 특정 요구 사항을 충족하도록 설계된 맞춤형 솔루션을 문의할 수 있습니다.