AI 애플리케이션 요구를 충족하기 위한 전력 변환 효율 향상

AI 데이터 센터가 직면한 전력 과제

전기는 현대 사회와 경제 운영의 중심에 있으며, 전기차와 인공지능 응용 프로그램에 대한 수요가 증가함에 따라 그 중요성은 계속 커질 것입니다. 전력 생산은 현재 전 세계 이산화탄소(CO2) 배출의 가장 큰 원인이지만, 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지원의 빠른 확장을 통해 탄소 중립 배출로의 전환을 주도할 수도 있습니다. 소비자가 전기를 안전하고 경제적으로 사용할 수 있으면서도 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 약 460테라와트시(TWh)에 해당합니다. 암호화폐나 인공지능/머신 러닝(AI/ML) 같은 에너지 소비가 많은 애플리케이션의 증가로 인해 이 숫자는 급속히 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 전력 소비 증가의 주요 원인은 이러한 기술들에서 고성능 그래픽 처리 장치(GPU)의 배치에 기반합니다. IEA는 데이터 센터가 2026년까지 최소 650TWh를 소비할 것으로 예상하며, 1,000TWh를 초과하는 소비도 가능성이 없지는 않다고 보고 있습니다.

인공지능 분야의 성장 속도는 매우 놀라울 정도입니다. ChatGPT는 출시 첫 5일 만에 100만 명의 사용자를, 첫 두 달 안에 1억 명의 사용자를 달성하며 TikTok과 Instagram의 성장 속도를 크게 앞질렀습니다. 1.7조 개의 매개변수를 가진 GPT-4를 13조 개의 토큰을 사용하여 학습시키기 위해서는 25,000개의 NVIDIA A100 GPU가 필요하며, 각 서버는 약 6.5kW의 전력을 소비합니다. OpenAI에 따르면, 이 학습은 100일 동안 진행되었으며, 50GWh의 에너지를 소비했고 1억 달러의 비용이 들었습니다.

초기 데이터 센터는 그리드 전압을 중앙에서 12V로 변환한 후 서버로 전달하여 논리 레벨 변환(3.3/5V)을 완료했습니다. 그러나 전력 요구가 증가하면서 이 방법은 너무 많은 손실을 초래했습니다. 전압 손실을 줄이기 위해 버스 전압을 48V로 증가시켰으며, 이를 통해 전류는 4배 감소하고 손실은 16배 줄어들었습니다.

프로세서 전압이 3.3V 이하로 떨어져 서브-볼트 수준이 되면서, 상대적으로 높은 전력에서 여러 전압 레일이 필요하게 되었습니다. 이를 통해 DC-DC 컨버터(중간 버스 컨버터(IBC)로 알려짐)가 48V를 12V 로컬 버스로 변환한 후 더 낮은 전압 변환을 수행하는 2단계 변환 프로세스가 생겨났습니다.

AI 데이터 센터를 위한 효율적인 전력 변환 필요

AI 데이터 센터의 전력 변환 요구 사항은 고성능 컴퓨팅 및 방대한 데이터 처리 요구로 인해 특히 중요합니다. AI 데이터 센터는 대량의 데이터를 처리하고 복잡한 계산 작업을 수행해야 하므로 고효율 및 고밀도의 전력 변환 시스템이 필요합니다. 효율적인 전력 변환 장치는 에너지 손실을 줄여 전체 시스템 성능과 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

데이터 센터의 운영에는 매우 안정적이고 신뢰할 수 있는 전원 공급이 필요합니다. 전력 변환기는 다양한 부하 조건에서 안정적인 전압과 전류를 제공하여 서버 및 기타 장비의 정상 작동을 보장해야 합니다. 또한, 효율적인 전력 변환 시스템은 열 발생을 줄일 수 있지만, 효과적인 열 관리가 여전히 필요합니다. 최적화된 열 설계는 시스템 온도를 안전한 범위 내로 유지하는 데 도움이 되어 장비의 수명을 연장하고 성능을 향상시킵니다.

AI 애플리케이션이 빠르게 발전함에 따라 데이터 센터에 대한 수요도 계속 증가하고 있습니다. 전력 변환 시스템은 미래의 확장 요구에 유연하게 적응할 수 있도록 우수한 확장성을 갖추어야 합니다. 특히, AI 데이터 센터의 상당한 에너지 소비를 고려할 때 에너지 효율 관리가 운영 비용과 환경 영향을 줄이는 데 중요합니다. 효율적인 전력 변환기는 에너지 소비를 크게 줄이고 에너지 활용 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

데이터 센터의 높은 가용성을 보장하기 위해, 전력 변환 시스템은 일반적으로 잠재적인 전력 오류를 처리할 수 있도록 이중화가 설계되어야 합니다. 이중 설계는 주 전원 공급원이 실패할 때 빠르게 전환하여 백업 전력을 제공하고 시스템의 연속적인 작동을 보장할 수 있습니다. 게다가, 환경에 대한 의식이 높아짐에 따라, 더 많은 데이터 센터가 태양광 및 풍력과 같은 친환경 에너지원들을 통합하기 시작하고 있습니다. 효율적인 전력 변환 시스템은 이러한 재생 가능 에너지를 더 잘 통합하여 전체 에너지 효율성을 향상시키고 탄소 발자국을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

전력 변환 과정에서 전력 손실은 불가피한 현상입니다. 이러한 손실은 낭비된 에너지를 구성하며, 비용을 발생시키고, 열을 생성하여 이를 관리하기 위해 공간과 추가 비용이 필요합니다. 120kW의 랙 전력을 요구할 수 있는 하이퍼스케일 AI 데이터 센터를 운영할 때, 그리드 전력을 GPU 전압으로 변환하는 효율은 약 88%이며, 이는 액체 냉각을 통해 관리해야 하는 15kW의 열 손실을 초래합니다.

효율성과 전력 밀도(서로 밀접하게 관련됨)는 서버 전원 설계에서 핵심적인 용어입니다. 메인 그리드의 에너지는 최소한의 손실로 유용한 전력으로 변환되어야 합니다. 이를 달성하기 위해, 토폴로지가 지속적으로 발전하고 있으며, 동기 정류와 같은 기술이 개발되고, 정류기에서 손실이 많은 다이오드를 MOSFET으로 대체하는 과정을 거치고 있습니다.

토폴로지를 강화하는 것은 성공을 위한 절반의 전략일 뿐입니다. 효율성을 최적화하려면 모든 구성 요소가 가능한 한 효율적이어야 하며, 특히 변환 과정에서 중요한 역할을 하는 MOSFET의 효율성을 높이는 것이 중요합니다. MOSFET는 손실이 없는 장치가 아니며, 도통 및 스위칭 동안 손실이 발생합니다. 서버 전원 공급 장치가 크기를 줄이기 위해 더 높은 주파수 운영으로 이동함에 따라 스위칭 손실은 개선의 핵심 초점이 됩니다.

효율적인 onsemi PowerTrench® MOSFETs

실리콘 MOSFET은 게이트 전압을 통해 소스와 드레인 단자 사이의 전류를 제어합니다. 높은 효율성, 빠른 속도, 전력 처리 능력으로 인해 전력 증폭기, 전압 조정기, 스위칭 회로에서 널리 사용됩니다. onsemi의 저전압에서 중간 전압 T10 PowerTrench® MOSFET은 최신 차폐 게이트 트렌치 기술을 통해 스위칭 및 전도 손실을 감소시켜, Qg와 1mΩ 이하의 R_DS(ON)를 획기적으로 낮춥니다. 업계의 선도적인 소프트 리커버리 바디 다이오드는 링잉, 오버슈트, 노이즈뿐만 아니라 Qrr 손실을 감소시키며, 빠른 스위칭 애플리케이션에서 성능과 회복을 균형 있게 제공합니다. 이전 장치와 비교했을 때, 이 새로운 MOSFET은 스위칭 손실을 최대 50%까지, 전도 손실을 30% 이상 감소시킬 수 있습니다.

onsemi의 새로운 40V 및 80V T10 PowerTrench 장치는 동급 최고 수준의 R_DS(ON)을 제공합니다. NTMFWS1D5N08X(80V, 1.43mΩ, 5mm x 6mm SO8-FL 패키지) 및 NTTFSSCH1D3N04XL(40V, 1.3mΩ, 3.3mm x 3.3mm 소스-다운 듀얼-쿨 패키지)는 동급 최고의 Figures of Merit (FOM)을 특징으로 하며, AI 데이터 센터 응용 프로그램의 전원 공급 장치(PSU) 및 중간 버스 컨버터(IBC)에 적합합니다. T10 PowerTrench MOSFET는 97.5% 이상의 효율성을 요구하는 엄격한 Open Rack V3 효율성 사양을 충족합니다.

더 나은 성능의 저/중전압 MOSFET

onsemi에서 출시한 저/중전압 MOSFET, specifically the NTMFWS1D5N08X는 STD 게이트를 사용하는 SO8FL-HEFET 패키지의 전력 단일 N-채널 MOSFET입니다. 이 제품은 80V, 1.43mΩ, 253A를 지원합니다. 이 T10 80V MOSFET는 80V 시장에서 최고 수준의 제품 중 하나로, 클라우드 전력, 5G 통신, 기타 PSU 애플리케이션, DC/DC 및 산업용 애플리케이션에 최적의 솔루션을 제공합니다. 이 제품은 더 나은 성능을 제공하고 시스템 효율성과 고전력 밀도를 향상시키는 한편, 성능이 낮은 특징을 가지고 있습니다.

NTMFWS1D5N08X는 FOM, Rsp 및 전력 밀도에서의 개선을 통해 성능을 향상시키고 비용을 절감합니다. 낮은 Rsp, 낮은 Qg/Qgd 및 낮은 Qgd/Qgs는 드라이버 손실을 최소화함으로써 전체 효율성을 증가시킬 수 있습니다. 낮은 R_DS(ON)은 전도 손실을 최소화하며, 낮은 Qoss와 Qrr은 스위칭 손실을 개선합니다. 보다 부드러운 복구 다이오드와 낮은 Qrr은 링잉, 오버슈트 및 노이즈를 줄여 견고성을 제공하며, 빠른 스위칭 응용 프로그램에서 우수한 Unclamped Inductive Switch (UIS)를 통해 애벌랜치 견고성을 강화합니다. 이 제품은 Pb-free, 할로겐/BFR-free 및 RoHS를 준수합니다.

NTMFWS1D5N08X는 DC-DC 및 AC-DC 동기 정류(SR)와 격리된 DC-DC 컨버터 및 모터 드라이브의 주요 스위치에 적합합니다. 일반적인 최종 제품으로는 통신 전력, 클라우드 전력, 서버 전력, 데이터 센터, 모터 드라이브, 태양광 전력 및 무정전 전원 공급장치(UPS)가 포함됩니다.

onsemi의 또 다른 저/중 전압 MOSFET인 NTTFS2D1N04HL은 40V, 150A, 2.1mΩ을 지원하는 N-채널 실드 게이트 PowerTrench® MOSFET입니다. 이 N-채널 중간 전압 MOSFET은 고급 PowerTrench® 기술을 사용하여 제작되었으며 실드 게이트 기술을 통합하고 있습니다. 이 공정은 우수한 스위칭 성능을 유지하면서 온 상태 저항을 최소화하도록 최적화되었습니다.

NTTFS2D1N04HL은 실드 게이트 MOSFET 기술을 활용하여, VGS = 10V 및 ID = 23A에서 최대 R_DS(on) 값이 2.1mΩ, VGS = 4.5V 및 ID = 18A에서 3.3mΩ로, 스위칭 노이즈와 EMI를 줄입니다. 이 제품은 MSL1을 충족하는 견고한 패키지 설계를 특징으로 하며, 100% UIL 테스트 및 RoHS 준수를 완료했습니다. NTTFS2D1N04HL은 다양한 응용 분야에 적합하며, 일반적인 최종 제품에는 DC-DC 전원 공급 장치와 중간 전압 동기식 벅 컨버터가 포함됩니다.

결론

오늘날 급변하는 인공지능 시대에서 전력 변환 효율을 향상시키는 것은 매우 중요합니다. 고효율 전력 변환 기술은 AI 애플리케이션의 고성능 컴퓨팅과 광범위한 데이터 처리 요구를 충족시킬 뿐만 아니라 에너지 소비와 운영 비용을 크게 줄여 더 지속 가능하고 환경 친화적인 목표를 달성할 수 있습니다. 지속적인 혁신과 첨단 전력 관리 솔루션을 채택함으로써 우리는 성능과 효율성 간의 균형을 맞추고, 다양한 분야에서 AI 기술의 지속적인 발전과 최대한의 이익을 보장할 수 있습니다. 따라서 전력 변환 효율 개선에 투자하는 것은 기술 발전의 요구일 뿐만 아니라 AI 혁명을 추진하는 데 있어 중요한 부분입니다.

onsemi에서 출시한 저전압에서 중전압까지의 PowerTrench® MOSFET 제품 시리즈는 우수한 성능을 바탕으로 데이터 센터의 AI 애플리케이션에 적용될 수 있으며, 뛰어난 전력 변환 효율을 제공하여 관련 애플리케이션에 이상적인 선택 중 하나가 됩니다.