[편집자주]데이터센터 전력 수요가 AI 확산으로 폭증하며 기존 48V 아키텍처가 한계에 도달했고, 800V DC 기반 구조로의 전환이 요구되고 있다. 800V DC 전환을 위해서는 PSU·IBC·BBU 등 전력 체계 전반의 재설계가 요구되며, GaN·SST 같은 와이드밴드갭 기반 기술이 고효율·고밀도·고신뢰성을 실현하는 핵심으로 부상하고 있다. 특히 랙당 1MW 시대에는 전력·냉각·안전 요구가 급격히 높아지며, 시스템 전체를 하나의 전력 체인으로 보고 설계하는 접근이 필요할 것으로 이야기 되고 있다. 이에 데이터 센터 전력 제품의 전문가인 프라딥 셰노이(Pradeep Shenoy) 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI) 컴퓨팅 파워 기술 책임자와 만나 데이터센터 전력을 위한 제품 개발 및 관련 솔루션에 대해 들어보는 자리를 마련했다.


■ 간략한 자기소개와 함께, Texas Instruments에서 데이터센터 전력 분야를 담당하시는 현재 역할에 대해 설명 부탁드린다

TI 데이터센터 시스템 엔지니어링 팀의 Compute Power Technologist로 TI의 데이터센터 포트폴리오를 위한 전력 전자(power electronics) 솔루션의 정의 및 개발을 주도하고 있다.

구체적으로는 고효율·고밀도 컨버터 아키텍처 설계, 실리콘 및 시스템 성능 검증, 그리고 TI의 데이터센터 전력 제품이 현대 하이퍼스케일 및 엔터프라이즈 서버의 엄격한 효율성·신뢰성·폼팩터 요구사항을 충족할 수 있도록 고객사 및 내부 제품 그룹과의 협업을 담당하고 있다.

■ 기존 전력 아키텍처에 대한 근본적인 재설계가 필요하다고 말씀하셨다. 기존 방식만으로는 왜 더 이상 충분하지 않은 건지 궁금하다

데이터센터는 정보화 시대의 근간이다.

그리고 AI와 머신러닝의 폭발적인 성장은 데이터센터의 전력 공급 방식을 근본적으로 변화시키고 있다.

핵심 문제는 컴퓨팅 전력 밀도(power density)가 모든 시스템 스택 수준에서 급격하게 증가하고 있다는 것이다.

불과 얼마 전까지만 해도 프로세서의 소비 전력은 수백 와트(W) 수준이었다.

반면에 오늘날 개별 AI 프로세서는 킬로와트(kW) 단위의 전력을 소비한다.

랙 단위로 보면, 수십 kW 수준이던 정격 전력이 빠르게 100kW를 초과하고 있으며, 머지않아 랙당 1MW를 넘어서게 될 것이다.

데이터센터 전체 레벨에서는 수십 MW이던 소비 전력이 이미 수백 MW 규모로 커졌고, 미래의 AI 데이터센터는 기가와트(GW) 이상의 전력을 필요로 하게 된다.

기존의 48V 기반 아키텍처는 이러한 규모의 부하를 감당하도록 설계된 것이 아니다.

전통적인 접근 방식은 이미 한계에 도달해 있으며, 우리는 이제 대규모 전환의 시점을 맞이하고 있다.

바로 그렇기 때문에 전력 아키텍처에 대한 시스템 수준의 포괄적 재설계는 선택이 아닌 필수다.

■ 기존 48V 기반 시스템과 비교했을 때, 800V 아키텍처의 핵심 장점은 무엇인지. 또한 800V DC 도입 시 반드시 해결해야 할 가장 중요한 기술적 과제는

800V로의 전환은 AC/DC 변환 장치 및 배터리 백업 장치(BBU)를 IT 랙에서 분리된 사이드카(sidecar) 전력 랙으로 이전함으로써 IT 랙 내 물리적 공간을 확보하고, 이를 통해 컴퓨팅 밀도를 높일 수 있다.

800V 버스바(busbar)는 랙 후면을 따라 배치돼 중간 DC/DC 전력 선반의 필요성을 제거한다.

그러나 이러한 전환은 상당한 기술적 과제를 수반한다.

PSU(전원공급장치)는 기존 8kW급에서 30kW급으로 확장되어야 하며, 3상 AC 입력을 받아 800V 또는 ±400V DC를 출력해야 한다.

이를 위해 3-레벨 플라잉 커패시터 PFC(역률 보정) 및 델타-델타 연결 3상 LLC 스테이지와 같은 새로운 회로 토폴로지가 필요하다.

배터리 백업 및 커패시터 뱅크 장치도 고전압 DC 환경에 맞게 재설계돼야 한다.

중간 버스 컨버터(IBC)는 800V에서 고변환비(예: 64:1 또는 128:1)로 전압을 강압해야 하며, 이 과정에서 효율성과 신뢰성을 유지해야 한다.

800V가 IT 트레이에 직접 인가되는 만큼 안전 요구사항도 시스템 설계 단계에서부터 반드시 내재화되어야 한다.

마지막으로 견고성과 신뢰성은 절대 타협할 수 없는 요소다.

상대적으로 저렴한 전력 부품 하나의 고장이 고가의 컴퓨팅 랙 전체를 다운시키는 상황은 누구도 감당할 수 없다.

■ Gen3에서 Gen4(고체 상태 변압기 기반 아키텍처)로의 전환이 현실화되는 시점은 언제로 예상하는지

3세대 아키텍처(Gen3)는 IT 랙의 컴퓨팅 밀도를 향상시키는 데 탁월하지만, 데이터센터 IT 플로어 공간을 차지하는 사이드카 전력 랙이 여전히 필요하다.

따라서 데이터센터 진화의 다음 단계는 사이드카의 AC/DC 전력 변환 기능을 제거하고, 800V를 버스웨이(busway)를 통해 IT 랙에 직접 분배하는 것이다.

각 세대의 전력 분배 방식은 수많은 정교한 전력 변환 기능을 필요로 한다.

이러한 기능에는 PFC, 800V DC 또는 ±400V DC의 DC/DC 변환, 다이오드 OR-ing, 전류 공유, 핫 스왑, 보호 회로, 제어, 전력 미터링 등이 포함된다.

이 모든 기능이 최고의 성능과 효율로 동작하기 위해서는 고도화된 반도체 기술이 핵심이다.

SST(Solid State Transformer, 고체 상태 변압기)는 AC/DC 및 DC/DC 변환을 단일 고주파 스테이지로 통합한다.

기존의 상용 주파수 변압기보다 훨씬 높은 주파수에서 동작하기 때문에 물리적 크기가 대폭 줄어들며, 데이터센터 내 800V(또는 그 이상)의 DC 버스웨이 직접 배전을 가능하게 한다.

또한 태양광 발전, 에너지 저장 시스템 등 현장 내 에너지 자원과의 긴밀한 연계를 지원하는데, 이는 데이터센터들이 에너지 효율을 높이는 과정에서 점점 더 중요해지는 요소다.

■ GaN이 데이터센터 전력 혁신의 필수 기술로 부상한 이유는 무엇인가. 특히 전압 범위 확장 측면에서 GaN 기술이 앞으로 어떻게 발전해 나갈 것으로 보는지

GaN(질화갈륨)은 와이드 밴드갭(wide-bandgap) 반도체로, 고전압·고주파 전력 변환 애플리케이션에서 기존 실리콘 소자를 압도하는 성능을 발휘한다.

데이터센터가 800V DC 배전으로 전환하고 랙당 1MW를 향해 나아가면서, 전력 변환 하드웨어에 대한 스위칭 주파수·효율·전력 밀도 요구사항은 실리콘이 안정적으로 감당할 수 있는 수준을 넘어서고 있다.

GaN은 바로 이 차세대 시스템을 실현 가능하게 만드는 소재다.

TI의 접근 방식은 단순히 GaN 트랜지스터를 제공하는 데 그치지 않는다.

GaN의 잠재력을 온전히 실현하는 핵심은 바로 통합(integration)에 있다.

TI는 GaN FET과 동일한 패키지 내에 게이트 드라이버를 직접 통합함으로써, 공통 소스 인덕턴스(Common Source Inductance)를 1nH 이하로, 게이트 루프 인덕턴스(Gate Loop Inductance)를 4nH 이하로 줄였다.

이는 매우 중요한 의미를 지닌다.

높은 스위칭 주파수에서는 아주 작은 기생 인덕턴스(parasitic inductance)조차 스위칭 손실을 크게 증가시키고 신뢰성 위험을 초래하기 때문이다.

드라이버 통합은 이러한 위험을 줄이고, 고객이 GaN의 전력 밀도 및 효율 이점을 실제로 달성할 수 있는 스위칭 주파수로 구동할 수 있도록 한다.

쉽게 말해 통합 드라이버 없이 GaN을 사용하는 것은 스포츠카를 저속 차선에서만 주행하는 것과 같다.

하드웨어는 갖추고 있지만 성능을 제대로 활용하지 못하는 셈이다.

전략적 목표는 명확하다.

GaN은 시스템 비용 절감, 전력 밀도 향상, 설계 간소화를 가능하게 하며, TI의 공정부터 패키징, 드라이버 통합에 이르는 수직 통합 접근 방식은 고객이 이러한 이점을 양산 시스템에서 실질적으로 구현할 수 있도록 지원한다.

■ 랙당 1MW 구축이 현실화되면, 전력·냉각·안전 측면에서 가장 크게 달라지는 점은 무엇이라고 예상하는지

전력 아키텍처 관점에서, 랙당 1MW에 도달하기 위해서는 Gen3 및 Gen4에서 설명한 바와 같이 48V 배전에서 800V DC 버스바 아키텍처로의 완전한 전환이 필수다.

이 규모에서는 효율성이 더욱 중요해진다.

변환 손실 1% 포인트는 곧 수십 kW의 열로 전환되며, 이는 관리해야 할 열량이 늘어날 뿐 아니라 컴퓨팅에 기여하지 못하는 낭비 전력을 의미한다.

따라서 변환 단계를 줄이고 효율을 높이는 아키텍처의 진화는 단순히 전력 공급의 문제가 아니라, 냉각 비용 및 데이터센터 전체 운영 경제성과 직결된 문제다.

안전 역시 48V 환경과는 근본적으로 다른 수준의 과제를 제시한다.

고전압은 IT 트레이의 전력 분배 보드부터 버스바 인프라, 회로 보호 장치에 이르기까지 시스템의 모든 요소에 처음부터 신중하게 설계돼야 한다.

액체 냉각 CDU(Coolant Distribution Unit, 냉각수 분배 장치)는 점차 지능형 시스템으로 진화하고 있다.

AI 데이터센터의 증가하는 열 부하를 감당하기 위해 고출력 펌프, 정밀한 센서 기반 제어, 향상된 신뢰성이 요구된다.

TI는 이 트렌드의 최전선에 있다.

TI의 광범위한 전력, 시그널 체인, 임베디드 제품 포트폴리오는 CDU 전자 설계를 위한 원스톱 솔루션을 제공하며, 제어 및 구동, 감지 및 안전, 고성능 액체 냉각 서버용 전력 공급에 이르기까지 모든 영역을 커버한다.

■ 데이터센터 전력 설계자 또는 IT 인프라 기업들에게 현시점에서 가장 강조하고 싶은 메시지는

데이터센터는 우리가 살아가는 정보화 시대의 근간이며, TI는 전력 아키텍처부터 냉각, 네트워킹에 이르기까지 데이터센터의 모든 영역에 걸쳐 핵심적인 솔루션을 제공하고 있다.

800V DC 배전으로의 전환은 데이터센터 전력 아키텍처의 근본적인 재설계를 의미한다.

단순한 업그레이드가 아닌 완전한 재설계다.

그리고 이러한 아키텍처의 진화와 GaN과 같은 첨단 와이드 밴드갭 반도체 기술의 결합이 바로 랙당 1MW 이상을 실현 가능하게 만드는 요인이다.

향후 10년간 이어질 AI 인프라의 성장은 이러한 수준의 혁신적 전환 없이는 불가능하다.

지금 이 여정을 시작하는 설계자와 인프라 팀에게 드리고 싶은 말씀은 AC 그리드 연결부터 프로세서 코어 전압까지, 전체 전력 체인을 하나의 시각으로 바라보고 설계를 시작하라는 것이다.

각 단계에서 내리는 결정은 다른 모든 단계와 상호작용하며 영향을 미친다.

바로 이 시스템 수준의 관점에서, 효율성·전력 밀도·신뢰성·비용 측면의 실질적인 성과를 거둘 수 있다.