글/ 알리 후사인(Ali Husain) 기업전략 및 마케팅 수석매니저, 온세미컨덕터

규모 축소, 안정성 향상, 운영비용 절감 도와

방대한 양의 데이터 저장 필요성은 데이터 센터의 세계를 매우 치열하게 변모시키고 있다. 부동산 및 전기에너지 문제는 비용적 측면에서 가장 큰 문제들이다. 따라서 운영자들은 서버 및 저장장치를 위해 더 효율적이고, 신뢰할 수 있으며, 보다 적은 전력 솔루션을 요구하고 있다.

클라우드 전원 공급

직장에서 일하거나 일상생활을 하는 동안 우리는 예측하기 어려울 정도의 방대한 데이터 양을 매일 생성하고 사용하며 공유한다. 이와 더불어, 수십 억 개의 디바이스를 연결하는 사물인터넷(IoT)은 인간의 관여 없이도 데이터를 생성하고 있다. 모바일 기술이 5G(5세대 이동통신)로 진입하면서 더 많은 데이터가 생성되고 이전보다 더 빠르게 이동할 수 있는 저장용량이 필요하며 데이터는 더욱 더 급증할 것이다.

모든 데이터는 처리 및 보관을 위해 어딘가에 저장되어야 한다. 이에 우리는 중요한 정보의 안전성을 높이기 위해 ‘클라우드(cloud)’로 눈을 돌리고 있다. 그러나 클라우드는 무한한 공간이 아니다. 이에, 추가적인 저장용량에 대한 끊임없는 수요에 대처하기 위해 데이터 센터는 그 규모와 수가 빠르게 증가하고 있다.

데이터 센터가 운영되려면 상당한 양의 전력이 필요하다. 현재, 미국 내에서 데이터 센터는 대략 3%의 전력소비를 차지하는 것으로 추정되지만, 향후 20년간 15%까지 증대될 것으로 예상된다. 매년 천만 대가 넘는 서버가 출하되고 있으며, VR/AR, 인공지능(AI), IoT 등 새롭게 등장하는 애플리케이션 수요 증가에 맞추어 매년 5% 안팎의 성장세를 이어가고 있다.

전력 효율과 신뢰성은 데이터 센터 산업 내에서 가장 중요한 주제라고 할 수 있다. 물리적 공간 확보가 어려워지고 전기에너지의 비용이 점차 증대하면서, 무엇보다 시스템 신뢰성이 가장 중요해졌다. 효율성이 증대됨에 따라 작동온도가 낮아지는데 이는 그 자체로 신뢰성 향상으로 이어진다. 또한 이를 통해, 전력 솔루션은 더욱 조밀해지고 공간이 절약되어, 사용 가능한 공간에 더 많은 컴퓨팅 연산능력과 저장용량 장착을 지원하게 된다.

신뢰성을 위한 설계에도 불구하고, 디스크 드라이브나 팬과 같이 동작이 필요한 부품들은 데이터 센터의 작동수명 내에 마모되거나 고장이 날 수 있다. 따라서 이러한 장치의 핫플러그(hot-plug) 및 핫스왑(hot-swap)이 가능하도록, 전원시스템은 시스템 다운타임(downtime) 없이 수리 및 업그레이드할 수 있도록 설계되어야 한다.



전력 문제에 대한 해결책을 제공하는 기술

데이터 센터가 직면한 문제를 해결하기 위해, 전력 솔루션은 보다 작고, 밀도가 높으며, 효율적이고 정교해야 한다.
MOSFET 기술은 이미 상당히 향상되었으며, 제어 집적회로(control IC)와 MOSFET을 효율적이고 콤팩트한 패키지로 통합시킬 수준이 되었다.

예를 들어, 온세미컨덕터의 NCP3284, DC-DC 컨버터는 미세한 5mm×6mm 범위 내에서 30A 연속(45A 펄스) 능력을 가지고 있으며, 최대 1MHz의 주파수에서도 작동할 수 있으므로 외부 인덕터(external inductor)와 커패시터(capacitor)의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 또한 이 통합장치는 다중 보호기능 및 프로그램 작동이 가능한 소프트 스타트(soft start) 기능을 포함한다.

그 다음 수준의 전력 밀도로는 FDMF3170과 같은 SPS(Smart Power Stage) 솔루션이 있다. 이는 MOSFET을 첨단 드라이버 집적회로(IC), 전류 및 온도센서와 통합하여, 고전류, 고주파, 동기식 벅(buck) DC-DC 컨버터를 설계할 수 있게 한다.



이러한 완전통합 방식을 통해, SPS는 드라이버 및 MOSFET 다이내믹 성능(MOSFET dynamic performance), 시스템 기생 감소(system parasitic reduction), MOSFET 온-저항(MOSFET ON-resistance)에 최적화될 수 있다. FET 페어는 80 플러스와 같은 현대적인 효율성 요구사항이 매우 엄격한 로우 듀티 사이클(low duty cycle)에서 최고 효율로 최적화되었다.

고도로 정밀한 전류 모니터링(IMON)은 인덕터의 DCR 또는 저항감지 수단(resistor sense method)을 대체할 수 있다. 이를 통해 전력손실을 줄일 수 있을 것이다.

현대의 데이터 서버 시스템은 보잘 것 없는 퓨즈조차 변신시킬 수 있다. 레이드(RAID) 시스템, 디스크 드라이브 전원(disk drive power), 서버 I/O 카드와 같은 애플리케이션에 필수적인 글래스 카트리지(glass cartridge)의 가용성 와이어(fusible wire)는 지능형 반도체기반 전자퓨즈(eFuse)로 대체된다. 전자퓨즈는 정상작동 시 및 핫스와핑 이 진행되는 동안 주변장치를 보호하기 위해 로우 온-저항 MOSFET(low on-resistance MOSFET)을 사용한다.

사실, 전력 문제나 부하결함이 발생할 수 있는 애플리케이션 뿐 아니라 돌입전류/분출전류(inrush/outrush current)에 제한이 있을 수 있는 애플리케이션에도 사용할 수 있다. 이러한 데이터 서버 시스템은 부품, 연결장치 및 PCB 트레이스(PCB trace)에 대한 보호뿐 아니라 제어도 할 수 있다. 또한 모니터링 온도와 전류와 같은 유용한 원격 측정 기능을 제공할 수 있다.

온세미컨덕터의 NCP81295/6 핫스왑(Hotswap) 컨트롤러는 최대 60A 피크(50A 연속)까지 전류를 지원하며, 효율적인 작동을 위해 0.8mΩ(Ohm) 내부 MOSFET을 기반으로 한다. 5mm × 5mm 32핀 QFN 패키지에 포함된 이 제품은 래칭 오프(latching off) 및 자동 재시작(auto-retry) 버전을 제공하며, 최대 125°C 이상의 온도에서도 사용할 수 있다.

또 다른 eFuse인 NIS5021는 핫플러그형 하드 드라이브와 함께 사용되는 12V, 12A 시리즈 장치이다. 이 제품은 민감한 회로를 손상시킬 수 있는 과도한 입력전압으로부터 HDD를 버퍼링한다. 내장 전압 클램프(inbuilt voltage clamp)는 부하를 79보호하기 위해 출력전압을 제한하는데, 이는 드라이브의 정상적 작동, 즉 지속적인 전원공급을 의미한다.

서버와 같은 복잡한 시스템은 적절한 작동 및 최고수준의 효율성을 보장하기 위해, 전력시스템에 대한 지능적 제어를 요구하는 경우가 많다. 부하관리장치(Load management device)는 전력레일(power rail)을 분할할 수 있기 때문에, 세분화된 제어를 가능하게 한다. 이는 스타트업(startup)에서 전원 시퀀스(power sequencing)를 용이하게 하고, 회로의 미사용 부분에서 전원사용을 차단할 수 있기에 운영비용을 감소시킨다. 즉, 낮은 전력수준은 시스템 내의 열을 감소시키기 때문에, 신뢰성과 수명을 증대시킨다. 또한 대부분의 로드 스위치(load switch)는 슬루레이트(slew rate, SR) 제어를 함으로써, 고장상태에서도 보호기능을 제공할 수 있다.

온세미컨덕터의 NCP455xx 시리즈 같은 통합 로드스위치(load switch)를 사용할 경우, 시스템 설계자는 시스템 부품의 수를 최소화하면서도 이러한 이점을 누릴 수 있다. 이러한 고성능 장치는 콤팩트한 솔루션을 제공하여, 개별적 솔루션 대비 PCB 부지를 대략 60% 정도 줄일 수 있다.



와이드밴드갭(Wide bandgap) 기술

서버 전력 시스템의 크기, 신뢰성, 효율 및 운영 비용에 긍정적인 영향을 미치게 될 가장 중요한 발전은 질산갈륨(gallium nitride, GaN)과 탄화규소(silicon carbide, SiC)와 같은 와이드밴드갭(WBG) 소재에 기반 한 반도체일 것이다. 본질적으로 실리콘(Si) 기반 장치보다 더 효율적으로 설계된 WBG 장치는 더 높은 주파수 및 온도에서도 작동할 수 있다.

예를 들어, 서버 전원 공급 애플리케이션에서 일반적으로 발견되는 유형의 5kW 부스트 컨버터에서, 실리콘 스위치를 SiC 스위치로 교체하면, 80kHz 정도의 주파수에서 발생되는 손실 중 73%가 줄어들기 때문에 시스템 효율이 크게 향상된다. 이는 열관리가 덜 필요하기 때문에 더 작은 시스템에 유용하며, 또한 시스템 작동에 열 발생을 줄임으로써 신뢰도를 높이고 부품 및 시스템 밀도를 높일 수 있다.

SiC MOSFET이 이와 유사한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors, 절연 게이트양극성 트랜지스터)보다 비싼 것은 사실이지만, 인덕터 및 캐패시터 등의 수동부품과 관련된 73%의 절감효과는 Si 설계대비 SiC 설계의 경우 전체적인 부품구성(BOM) 비용 절감으로 이어진다. 보다 중요한 점은 산출된 에너지 비용절감 효과가 서버 설치 수명과 관련하여 수 만에서 수 백만 달러에 이를 수 있다는 것이다.

요약

방대한 양의 데이터 저장 필요성은 데이터 센터의 세계를 매우 치열하게 변모시키고 있다. 부동산 및 전기에너지 문제는 비용적 측면에서 가장 큰 문제들이다. 따라서 운영자들은 서버 및 저장장치를 위해 더 효율적이고, 신뢰할 수 있으며, 보다 적은 전력 솔루션을 요구하고 있다.

서버 전력 솔루션을 설계할 때, 고려해야 할 측면이 많이 있지만, 통합형 MOSFET, SPS, 전자퓨즈 및 부하관리 등의 고도로 통합된 장치들로 인해, 설계자들은 소형의 효율적이고 신뢰할 수 있는 정교한 전력솔루션 제작을 할 수 있게 되었다. 전자퓨즈는 HDD나 팬 등의 고장 나기 쉬운 장치의 핫스와핑을 촉진하기 때문에, 가동시간 유지에 중요한 역할을 한다.

가까운 미래에 WBG 소재는 규모와 성능상의 단계 변화뿐 아니라 운영비 지출을 줄일 수 있는 신뢰성과 효율성 향상을 이룰 것이다. 현재 WBG 솔루션의 재품구성 비용은 실리콘 설계와 비슷하거나 더 낮은 수준까지 도달하였다. 이러한 흐름은 더욱 가속화될 것으로 예상된다.