첨단 전력관리 기술로 5G 통신 및 데이터센터 요구 충족
https://www.analog.com/en/signals/articles/meeting-5g-communication-data-center-demands.html
 
글: 게리 사피아(Gary Sapia) 전력기술 개발 및 시장 확장 담당 디렉터, 안드레아 핏주텔리(Andrea Pizzutelli) 데이터센터 장비 제품 애플리케이션 담당 선임 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices)
 
 
모하비 사막 외곽, 25미터 높이의 타워 꼭대기에 자리 잡은 5G 무선 트랜시버는 타는 듯한 열기에 노출된다. 무선 부품이 작고 가벼울수록, 그리고 무선 전자 시스템이 효율적일수록, 시스템에서 발생하는 열이 더 적고 시스템 냉각과 기능을 유지하기가 더 쉽다. 1000에이커가 넘는 부지에 설치된 데이터센터에서 서버 뱅크는 점점 더 많은 정보를 필요로 하는 세계에 정보를 제공하기 위해 수백만 건의 검색과 매우 까다로운 작업 부하를 실행한다. 이러한 기술은 콘텐츠를 신속하게 전달할 수 있도록 효율을 극대화하는 매우 높은 전력 부품 밀도와 함께, 빠르게 전환하는 고전류를 요구한다.
 

 
점점 더 발전하는 통신 세계에서, 오늘날 전력 전자장치들에 가장 까다로운 애플리케이션은 크기, 무게, 전력 소모(SWaP)라는 기술 과제들에 직면해 있다. 거의 모든 애플리케이션이 더 많은 전력을 요구하면서 크기와 무게는 더 작고 가벼워지고 있다. SWaP 최적화에 대한 요구는 전력 전자 산업을 여러 가지 새로운 방식으로 이끌고 있으며, 전력관리 기술은 오늘날 데이터센터와 통신 산업의 혁신에서 중요한 역할을 한다.
지속 가능성과 비용 절감을 목표로 할 때, 기술 리더십이란 보다 향상된 시스템 효율을 목표로 한다는 것을 의미한다. 통신 시스템에 보다 발전된 공정 기술이 사용됨에 따라 동작 전압은 더 낮아지고 전류는 크게 증가해 시스템 효율을 달성하기가 더 어려워졌다. 이러한 차세대 시스템에서는 순수 실리콘 개발 이상의 방법론을 고려해야 한다. ADI의 첨단 기술력이 빛을 발하는 부분이 바로 여기다.
 
무선 SWaP 및 효율 향상
무선 측면에서는 전력 밀도를 극대화하고 솔루션을 가능한 작게 만들어 5G 애플리케이션의 전체 크기를 줄이거나, 추가적인 기능이나 성능을 통합할 수 있는 유연성을 제공하는 데 중점을 둔다. 더 작은 공간에서 동작한다는 것은 보다 비용 효과적이고 효율적으로 작동할 수 있다는 것으로 풀이할 수 있다.
무선 통신 기술에서 가능한 옵션과 발전은 끝이 없다. ADI는 산업과 기술 전반에 걸쳐 깊이 있는 전문성을 보유하고 있으며, 이러한 시스템의 점점 더 증가하는 요구를 충족하는 관점과 솔루션을 제공한다. 뿐만 아니라 풋프린트와 부품 수, 보드 면적을 줄일 수 있는 크기, 무게, 전력 소모에 영향을 미치는 시스템 패키징의 대체 방법에 대한 통찰을 제공한다. 보드 크기를 줄이면 인공 지능(AI)과 음성 인식 같은 새로운 기술이나 추가 기능을 포함할 수 있는 공간을 확보하는 부가가치를 얻을 수 있다.
 
잡음이 적은 시스템일수록 차폐 기술이 덜 필요하며,
차폐 기술이 덜 필요할수록 무게와 크기를 더 줄일 수 있다.
 
 
 
잡음 제거
전기전자 시스템은 동작하는 데 다양한 전압과 전류가 필요하다. 효율적인 전력 변환은 원활하게 작동하는 시스템의 핵심이다. 이는 고주파 스위칭 전력 변환이 필요하다는 것을 의미한다. 고주파 스위칭의 단점은 RF 범위에서 전자기 잡음 간섭(EMI)이 발생한다는 점이다. 이러한 EMI 간섭은 5G 네트워크에 들어가는 RF 트랜시버 같은 매우 민감한 장치의 기능을 방해할 수 있다. ADI의 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 전력 변환기 제품군은 높은 주파수에서 동작하면서 효율을 극대화하여 업계 최저 수준의 전자기 간섭(EMI)을 발생한다. 그 결과 휴대전화 네트워크 장비에서 견고한 통신 링크를 구현할 수 있다.
5G 무선 설비는 전 세계에 셀룰러 및 인터넷 서비스를 제공하여 동료와 친구, 가족과 언제나 연결되게 한다. 세계적으로 연결된 미래에 대한 약속은 의심할 여지 없이 전 세계 인구가 생활하고, 배우고, 일하고, 즐기는 방식에 막대한 영향을 미친다. 5세대 무선 기술은 이러한 목표를 달성하기 위해 전력 전자장치 분야에서 상당한 발전을 필요로 한다. 또한 생명과 관련이 있는 경우라면 신뢰성이 핵심이다.
 

[출처: Shutterstock 1749928115]
 
많은 5G 애플리케이션들이 업무 수행에 있어서 핵심적이며 상시 작동한다. 의료 종사자와 응급 구조원은 중요한 통신과 사고 경보 관리를 위해 기술에 의존한다.
 
 
 
데이터센터: 클라우드 컴퓨팅의 중추
 
205TWh
2018년 전 세계 데이터센터들의 전력 소비량
노스웨스턴 대학교
맥코믹 공과대학 응용과학부
 
기업과 소비자의 주문형 데이터와 스토리지에 대한 요구가 기하급수적으로 증가하고 있다. 이러한 요구를 만족하려면 데이터센터는 전력 소비를 크게 늘려야 한다. 이는 이미 포화 상태인 전력망 시스템에서 전력 수요를 관리하는 효율적인 전력 변환이 필수적인 요소라는 것을 의미한다. 일부 데이터센터는 인구 80,000명 규모의 소도시에 맞먹는 전기를 소비하고 있어 더욱 향상된 전력관리 기술이 필요하다.
게리 사피아 디렉터는 “ADI는 이 모든 데이터를 처리하는 데 필요한 첨단 ASIC, CPU, GPU에 전원을 공급하는 고밀도, 빠른 응답 솔루션을 제공함으로써 부가 가치를 가져다 준다"면서 "특정 용도에 맞춰 설계된 주문형 집적회로(ASIC)는 가장 많은 전력을 소비하는 제품이다. 동일한 양의 전력으로 ADI의 솔루션은 전력 변환 손실을 줄이고 열 발산을 낮춰 도움을 준다"고 말했다.
 
구글 검색 할 때 벌어지는 일?

[출처: Shutterstock 1749928115]
 
사진을 검색할 때, 가령 ‘코가 납작한 모든 개’라고 하면, 검색 엔진은 작동을 개시하고 정보를 처리하여 약 20억 개의 선택된 항목 중에서 매우 빠른 속도로 관련 사진을 찾아낸다. 이러한 노력은 인공 지능(AI)을 사용하여 방대한 데이터베이스를 검색하는 매우 강력한 특수 프로세싱 엔진을 필요로 한다.
이러한 모든 동작은 작업 수행을 위해 장비들의 네트워크가 매우 빠르게 증가해야 하므로 전력 소비를 급격히 늘린다.
이는 전류가 급증한다는 것을 의미하며, 자동차 가속기 페달을 밟는 것과 유사하다. 연료 분사장치가 열리고 가스를 엔진으로 분사하여 힘을 발생한다. 검색 버튼을 누른다는 것은 기본적으로 가속기를 밟아 많은 서버에 전원을 공급하는 것이다. 서버는 사용자의 요청을 실행하기 위해 많은 전류를 필요로 하는데, 그게 바로 그 순간이다!
 
3마이크로초
 
아나로그디바이스의 전력관리 기술 솔루션이 수백 암페어를 공급하고 게이트웨이를 여는 데 걸리는 시간. 이 솔루션은 매우 빠른 과도 응답을 제공한다.
 
매우 짧은 시간에 전류 요구를 관리하려면 높은 효율과 매우 높은 대역폭으로 동작하는 특수한 시스템이 필요하다. ADI의 모노리식 통합 및 고유의 결합된 인덕터 기술은 이러한 엄격한 요구사항을 충족하면서 탁월한 효율을 제공하고 전력 소모를 줄여준다.
   
어떤 시각, 어떤 관점에서 보든 크기, 무게 및 전력(SWaP)을 줄여야 할 필요성은 데이터센터와 모든 통신 산업에서 변함이 없다.
ADI의 회로와 커넥티비티 제품 시스템은 시스템 정보 제어, 데이터 수집 및 변환, 높은 정확도의 데이터 센서, RF 무선 솔루션 및 고효율 전력 변환을 관리하는 집적 회로(IC)를 포함한다. 이 모든 것은 디스크리트 레퍼런스 디자인으로 패키징되어 µModule®이라고 하는 고도로 통합된 애플리케이션에 특정한 모듈 시스템 솔루션으로 제공된다.
데이터센터, 소셜 미디어 회사, 커넥티드 디바이스 제조회사, 클라우드 서비스 사업자, 검색 엔진 거대 기업들은 도전적인 지속 가능성 목표를 달성하기 위해 노력 중이다. ‘FFANG(페이스북, 아마존, 애플, 넷플릭스, 구글)’이라는 이름으로 알려진 미국의 5대 기술 기업은 각각 최대 250만 대의 서버를 갖춘 초효율적인 정보 공장인 하이퍼스케일, 즉 초거대 데이터센터를 운영한다. 거의 10년 동안 이들은 컴퓨팅 프로세스를 능률적으로 개선하고, 재생 에너지로 전환하며, 시설을 냉각하는 더 나은 방법을 연구해 왔다. 이러한 거대 데이터 기업들은 지구의 자원 사용을 최소화하기 위해 특별한 책임을 스스로 부과하고 있다.
 
전력 비용 최소화
5G 서비스가 개시되고 높은 데이터 속도 시스템이 요구되면서 데이터센터의 처리 전력이 폭증하고 있다. 전력은 일반적인 데이터센터 비용의 절반 이상을 차지하며, 그 중 30 ~ 40%는 건물 냉각 시스템에 사용된다. 전기 및 시스템 냉각 비용이 꾸준히 운용 비용의 상당 부분을 차지하는 경우, 전력 소모를 줄이는 것이 재정적으로 건전하고 사업적으로 타당하다.
비효율적인 전력 시스템은 열을 발생한다. 따라서 보다 효율적인 전력 시스템은 가동에 더 적은 에너지를 필요로 하며 냉각 시스템이 차지하는 공간을 줄여 팬, 히트 싱크 및 기타 열 관리에 들어가는 비용을 줄여준다. 데이터센터의 전력 소모를 줄이면 통신 사업을 보다 효과적이고 지속 가능하게 운영할 수 있다. ADI의 기술은 FAANG 서버를 보다 효율적으로 만들고 더 적은 전력을 사용하도록 도와준다.
 
인텔리전트 전력관리의 4가지 벡터

전력관리 혁신의 4가지 벡터
 
초고전류 장치에 전력을 공급하는 통신 회사는 전력 절감 목표를 달성하기 위해 더 이상 상용 부품에 의존하지 않는다. 이들은 혁신적 소재와 소형 모듈을 활용하여 더 작고 가벼운 5G 무선 장치를 향한 새로운 경로를 얻는다. ADI는 보다 공격적인 전력 절감 목표를 달성할 수 있도록 인텔리전트 전력관리의 4가지 벡터를 고려하면서 고객의 요구사항에 맞는 맞춤형 솔루션을 제공한다.
거대한 데이터센터에서도, 5G 무선 타워의 꼭대기에서도, 크기는 똑같이 중요하다. 더 적은 금속과 플라스틱, 기타 자원을 사용하는 더 작은 전자 회로는 기술 선도회사가 지속 가능한 목표를 달성하도록 도와준다.
 
더 작은 전원 회로
서버 시스템 폼팩터는 업계 전체에 걸친 표준이다. ASIC의 처리 성능을 높이는 데에는 상당한 전력 증가가 필요하다. 크기 조건이 달라지지 않는다고 가정할 때, 엔지니어가 처리 용량(정보 처리)을 늘릴 수 있을까?
답변을 하자면, ADI의 엔지니어링 기술은 업계에서 가장 높은 전력 밀도 솔루션을 제공함으로써 이를 가능하게 한다. 보다 향상된 통합과 고유의 마그네틱으로 가치를 더하고, 더 적은 공간에서 더 높은 효율로 더 많은 전력을 공급한다. 근본적으로, ADI의 혁신 기술은 동일한 볼륨에 더 많은 컴퓨팅 용량을 담을 수 있다.
 

 
첨단 기술
회로 및 자기 부품 설계, 패키징 및 통합의 향상은 무선 및 유선 통신 장비에서 전력 시스템의 크기를 줄여준다. ADI가 선도적으로 개발한 µModule® 기술은 완전한 전원 솔루션을 구성하는 여러 개의 전력 부품을 단일한 표면 실장 기판 내에 패키징함으로써 업계 최고의 전력 밀도 솔루션을 제공한다. 입력 버스 전압을 시스템 레벨 전압으로 강하하는 기존의 전력 변환기는 30개나 되는 개별 부품을 포함할 수 있다. 이러한 회로 소자를 단일 µModule 디바이스에 결합함으로써 장비 제조회사는 전원 회로의 풋프린트를 줄이고 전원 회로를 부하에 더 가깝게 배치하면서 설계를 간소화하고 시스템 성능을 최적화할 수 있다.
공정 기술이 향상됨에 따라 시스템 전압은 낮아지고 전류 요구사항은 비선형적으로 증가한다. 전력 분배망(PDN) 저항 전체에 걸친 이러한 전류의 극적인 증가는 열의 형태로 시스템 전력 효율과 전력 소산에 상당한 영향을 미치는 손실을 일으킨다. 널리 알려져 있듯이 전력 손실은 전류의 제곱으로 증가한다. 우리의 가장 큰 과제는 이러한 손실을 줄이는 것이다. ADI의 µModule 기술은 이 과제를 정면으로 돌파한다.
 
스마트 시스템 관리
최고의 동작 효율을 달성하려면 전력 시스템을 효율적으로 관리하고 제어할 수 있는 스마트한 시스템 관리가 필요하다. 5G 무선 및 데이터센터 서버 시스템은 새로운 최신 기술이 제공하는 혜택을 누릴 수 있으며, 이를 통해 운영자는 운영 데이터에서 얻은 통찰을 적용하여 시간이 지남에 따라 효율과 신뢰성을 점진적으로 증가시킬 수 있다. AI 또는 스마트 전력은 데이터센터 사업자가 전력 사용을 모니터링하고 에너지를 절약할 수 있도록 필요 시 즉시 서버 랙을 시스템 종료하거나 켜는 기능을 제공한다. 스마트 시스템 관리가 없는 시설은 사용량이 적은 시간대에도 불필요하게 서버를 계속 가동할 수 있다. ADI의 스마트 시스템 관리 기술을 활용하면 데이터센터 사업자는 전력 소모를 최대 25% 절감하면서 전기 요금을 줄일 수 있다.
 
안전과 신뢰성
 
데이터센터를 가동하는 데에는 엄청난 전력이 필요하다. 고장에 대비해 이러한 전력을 모니터링하고 제어하는 것은 안전과 신뢰성에 핵심적이다. ADI의 인텔리전트 핫스왑 기술은 안전하고 신뢰할 수 있게 데이터센터 가동을 보장하는 데 필요한 시스템 모니터링 및 제어 관련 업계 표준을 제시한다.
핫스왑은 입력 전류가 안전한 방식으로 제어되도록 보장함으로써 시스템 고장과 부품 수명 동안 성능 저하를 초래할 수 있는 부품 스트레스를 방지한다. 고장이 발생하면 핫스왑은 시스템에 경보를 발생하고 조건을 제한하거나 화재와 같은 치명적인 고장을 방지하기 위해 즉각적인 시스템 종료를 실시한다.
핫스왑의 인텔리전트 기술은 랙 장착 보드 수준에서 전압과 전류를 관리하므로 전체 랙이나 시스템의 전원을 끄지 않아도 백업 보드(또는 라인 카드)를 안전하게 설치할 수 있다. 이는 개별 장치에서 신뢰할 수 있는 서비스를 허용하고 서비스 중단을 최소화하여 시간과 비용을 절약한다.
ADI의 인텔리전트 핫스왑 솔루션은 시스템이 효율적이고 안전하며 안정적이고 신뢰할 수 있는 방식으로(모든 고전력 데이터센터 시스템에 핵심적인 파라미터) 동작하도록 보장하는 향상된 기술이다.
 
지속 가능성을 위한 솔루션
 
휴대전화 및 인터넷 데이터 서비스를 통해 세계의 대부분이 연결되고 정보를 제공받는다. 이들 기술의 엄청난 규모는 환경적으로나 재정적으로 모두 막대한 영향을 미친다. 이러한 이유로 향상된 효율로 지속 가능성을 높일 수 있는 전력관리 기술의 혁신이 매우 중요하다.
에너지를 적게 쓰는 지속 가능한 솔루션을 구현하는 것은 모든 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있다. 전력 반도체는 그 목표의 중심에 있다. 그러나 기술은 단지 시작일 뿐이다. ADI는 전력 전자 시스템 설계자가 보다 쉽게 안전하고 신뢰할 수 있는 데이터센터와 통신 혁신을 실현하고 지구와 전 세계 인류를 이롭게 하는 지속 가능한 미래의 목표를 달성할 수 있도록 지원한다.

 
저자 소개

게리 사피아(Gary Sapia) 전력기술 개발 및 시장 확장 담당 디렉터
게리 사피아(Gary Sapia)는 텍사스 A&M 대학에서 전력 전자 및 RF 시스템 설계의 고급 기술 과정을 밟으면서 공학 학사학위를 받았다. 통신 및 GPS 시장을 위한 전력 변환 및 고주파 솔루션을 포함하여 아날로그 시스템의 설계와 개발 분야에서 28년 이상의 경력을 갖고 있다. 아나로그디바이스 합류 전에는 리니어 테크놀로지(현 ADI)에서 시스코 및 베이 지역의 다른 유수 네트워킹 회사 등 주요 고객을 대상으로 8년 간 필드 애플리케이션 엔지니어로 일했다.
 

 
안드레아 핏주텔리(Andrea Pizzutelli) 데이터센터 장비 제품 애플리케이션 담당 선임 디렉터
안드레아 핏주텔리(Andrea Pizzutelli)는 이탈리아 밀라노공대에서 정보 기술 박사학위 및 전기 공학 학사학위를 받았다. 통합 전력 변환 제품 개발에 15년의 경험을 가지고 있으며 데이터센터, 통신 및 노트북 분야에서 다양한 직책을 거쳤다. 여러 과학 논문을 공동 저술했으며 다수의 미국 특허를 보유하고 있다.