전력 효율성 유지하기

머신 러닝과 AI가 이 분야에서 큰 역할을 하게 될 것입니다. 결과적으로 더 높은 처리 능력에 대한 요구가 증가하면서 CPU의 성능이 더욱 향상되었고, 특히 최근에는 컴퓨팅 집약적인 AI 애플리케이션에 필요한 초고속 병렬 처리 기능을 제공하기 위해 GPU, FPGA와 같은 액셀러레이터 기술의 사용이 급증했습니다.

이러한 고급 AI 기술과 기타 증가하는 컴퓨팅 요구 사항은 더 많은 처리 기능을 효율적으로 제공하기 위한 새로운 파워 아키텍처를 요구하며, 이러한 재설계 기회는 여러 이점을 제공하지만 해결하기가 쉬운 문제는 아닙니다.

전원 문제

더 높은 처리 능력으로의 전환은 전력 공급과 관련된 중요한 시스템 설계 문제를 초래합니다.  현재 프로세서는 더욱 미세하게 제조되어(10nm 미만) 더 빠른 전원 전환이 이루어지므로 지연이 줄어들고 레이턴시가 줄어들어 프로세싱을 구동하는 데 1V 미만의 전압만 있으면 됩니다.  그러나 옴의 법칙(P=V*I)에 따라 전력(P)이 증가하고 전압(V)이 낮아지면 전류(I)가 증가해야 합니다. 이는 프로세서 다이 또는 "패키지"에 더 높은 전류를 전달하려면 더 많은 소켓 핀을 사용하여 더 높은 전류를 전달해야 하기 때문에 문제가 됩니다. 그렇지 않으면 소켓 핀은 더 큰 시스템 기능(즉 I/O, 시스템 관리)을 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어 SoC(System on a Chip) 설계는 칩 자체에 더 많은 기능을 제공하므로 잠재적인 기능을 잃지 않으면서 어떻게 더 많은 전력을 효율적으로 공급할 수 있는지가 관건이 됩니다. 이는 규모에 클 경우 적은 효율성 증가라도 매우 큰 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 100K 서버의 경우 서버당 1W로 서버의 수명주기 동안 수십만 달러를 절약할 수 있습니다.

전압 솔루션 증가

오늘날 업계에서 채택되고 있는 솔루션 중 하나는 서버에 증가된 전압(48V)을 공급하는 것입니다. OCP(Open Compute Project) Summit 2016에서 Google은 48V 서버 및 배포 인프라를 데이터 센터의 표준으로 사용할 것을 장려하기 위한 이니셔티브를 발표했습니다. 이 모델에는 다음과 같은 이점을 제공할 수 있는 제공 아키텍처(아래에 설명)에 대한 몇 가지 변경 사항이 포함됩니다.

• 프로세서에 더 많은 전력 공급(소켓과 커넥터 핀 및 크기 감소 없음)
• 전력 변환 시 에너지 손실 감소(더 적고 효율적인 변환)
• 마더보드 설계의 혼잡도 감소(전원 레이어 및 추적 영역 감소)
• 더 작은 케이블, 커넥터 및 버스 바
• 전력 분배 손실 감소
• 12V 랙에 비해 더 높은 전력 제한

특별한 안전 경계가 필요하지 않기 때문에 48V가 선택되었습니다. 60V를 초과하는 모든 것은 "고전압"으로 간주되며 추가적인 안전 격리가 필요합니다. 따라서 옴의 법칙을 사용하면 48V는 전류를 4배 감소시키지만 여전히 안전상의 한계를 남깁니다.

한때 인텔은 1990년대 후반에 48V 서버를 홍보했으나, 그 시대의 제한된 전압 조정기 밀도와 전력 변환 효율성과 높은 구성 요소 비용으로 인해 12V 서버 설계가 손실되었다는 점에 유의해야 합니다.

전원 공급

48V 전력 모델의 장점을 이해하기 위해서는 우선 현재 전력이 어떻게 공급되는지 이해하는 것이 도움이 됩니다. 오늘날 전원 유틸리티는 일반적으로 220V~240V의 AC(Alternating Current)를 공급하며, 이는 시스템의 PSU(Power Supply Unit)를 통해 12V로 변환됩니다. 시스템 마더보드에 있는 전압 조정기에서 다시 12V를 1.7V로 변환됩니다(인텔 구현 예시 사용). 이 1.7V 레일은 마더보드에서 전달되는 전류를 줄이기 위해 CPU에 필요한 전압의 약 두 배입니다. 따라서 더 적은 핀을 사용하여 프로세서 기판에 전원을 공급할 수 있습니다. 그러나 프로세서에 필요한 1볼트 이하의 수준까지 도달하려면 다이 및 기판에서 다시 전력을 변환해야 합니다. 

전기 분배 손실 비효율성

각 변환 단계에서 일정 수준의 전력/에너지가 손실됩니다. 오늘날의 PSU(Power Supply Unit)와 온보드 VR(Voltage Regulator)의 비효율성은 이미 90%를 훨씬 넘었지만 공공 서비스에서 프로세서, 냉각에 이르기까지 오늘날의 기존 데이터 센터의 전반적인 전력 효율성은 일반적으로 80% 미만인 것으로 추정됩니다.  또한 이 에너지는 열 형태로 손실되므로 데이터 센터는 고성능 시스템을 냉각하기 위해 더 많은 에너지와 비용을 소비해야 합니다. 전력 효율을 높이면(에너지 손실 제거) 궁극적으로 데이터 센터는 냉각 비용을 절감할 수 있습니다. 효율성이 1% 포인트 증가하더라도 재정적 및 환경적 측면에서 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.

전기 배전 손실은 전류의 제곱에 비례합니다(전력 = I2R).  따라서 특정 저항(R)을 통해 전류(I)의 양을 줄이면 손실량이 감소합니다.  전압(옴의 법칙)을 높임으로써 전류를 낮출 수 있으며 이로 인해 48V 모델에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

새로운 전원 공급 방식

이 시점에서 고전력 프로세서에 대한 효과적인 전원 공급은 여전히 변할 수 있는 영역으로 남아 있으며 다양한 접근 방식이 추구되고 있습니다. 이러한 두 가지 접근 방식과 각각의 장점은 아래에 설명되어 있습니다.

더 큰 효율성을 제공하는 한 가지 접근 방식은 48볼트를 프로세서 패키지 기판에 직접 전달한 다음 기판에서 1V 이하로 변환하는 것이었습니다. 이 접근 방식은 하나의 변환 단계(효율성 증가)를 없애고 기판에 낮은 전류를 공급할 수 있도록 합니다(핀 가용성 증가).  그러나 패키지 기판에서 사용 가능한 공간이 매우 제한적이므로 48V에서 1볼트 미만까지의 전력 변환기는 고밀도 및 로우 프로파일이어야 하므로 이 기술을 구현하는 것은 여전히 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

또 다른 접근 방식은 마더보드에 48V를 공급하는 것입니다.  이 시점에서 전압 조정기는 이를 1도 이하의 전압(예: 0.85V)으로 변환한 다음 프로세서에 직접 전달합니다.  이 접근 방식은 또한 하나의 변환(효율성 증가)을 제거하지만 기판에 더 높은 전류를 공급해야 하므로 전원 공급 핀 수를 줄일 수는 없습니다. 이 접근 방식은 직접 제공 모델보다 덜 복잡하고 비용이 적기 때문에 더 일반적입니다.

기타 장점

48V 모델로 이동함으로써 다른 이점도 얻을 수 있습니다. 완전히 통합된 랙 스케일 솔루션의 경우 48V 버스 바는 12V 버스 바보다 4배 적은 전류를 전달하므로 랙 전원 분배에 동일한 버스 바를 사용할 경우 전기 분배 손실을 16배(I2)까지 줄일 수 있습니다.  이로 인해 전류가 덜 전달되므로 케이블(또는 버스 바)을 더 얇게 만들 수 있습니다(더 높은 게이지).

구성 요소(커넥터, 커패시터, 케이블 및 버스 바)의 크기가 줄어들고 공간이 확보됨에 따라 시스템 설계자가 더 많은 설계 옵션을 사용할 수 있어 공간과 비용을 절약할 수 있습니다.

랙 수준에서는 이러한 이점이 배가됩니다. 48V 랙 내 전원 분배 모델(12V 랙 레벨 전원 분배와 유사)은 분산 DC(직류) UPS를 구현할 수 있는 기회를 제공하며 부피가 큰 시설 수준의 AC(교류) UPS가 필요하지 않습니다. 이 모델은 부피가 클 뿐 아니라 유연성이 떨어지며 서비스가 어렵습니다.  대조적으로, 분산 DC UPS는 최신 리튬 기반 배터리 기술과 결합되어 더 컴팩트하고 가벼우며 서비스가 쉽습니다.  또한 Pay as You Go 기능을 활성화할 수 있는 추가적인 이점도 있습니다. 즉, 추가 용량이 필요할 때마다 용량을 동적으로 추가할 수 있습니다.

여전히 12V에 머물러 있습니다.

48V 효율성에 대한 관심과 관계없이 오늘날의 12V 서버 마더보드는 20년 이상 사용되고 있습니다. 12V 인프라스트럭처는 필수품입니다. 오늘날 전 세계적으로 엄청난 규모로 존재하며 오늘날의 12V 공급망은 최적화되어 있습니다. 따라서 더 높은 전압으로의 변환은 인프라스트럭처 전반에 걸쳐 널리 퍼지지 않을 것입니다. 예를 들어 오늘날의 스토리지 시장에서 검증된 다양한 옵션을 활용할 수 있도록 하드 드라이브는 여전히 12V를 채택하고 있으므로 가까운 미래까지는 메인스트림 서버 설계에 12V의 전력이 계속 통합될 것입니다. 그러나 처리 능력에 대한 갈증은 끝이 없어 보입니다. 따라서 인공지능과 머신러닝 분야에서 이미 볼 수 있듯이 고전압 공급 카트리지와 마더보드의 채택이 증가할 것으로 예상됩니다.

분명한 점은 메인스트림 마더보드 또는 프로세서 패키지 애플리케이션(즉, 고밀도, 효율성 및 비용 최적화)에 적합한 48V 전압 조정기 솔루션은 여전히 제한적이라는 점입니다.  그러나 주요 전력 관리 반도체 공급업체는 전력 변환 산업과 함께 집중적으로 노력하고 있으며 향후 몇 년 동안 더 실용적인 솔루션이 제공될 것으로 기대됩니다.  프로세서 및 패키징 기술이 발전하면 프로세서 칩 및/또는 패키지 기판에서 높은 전압 변환율을 활용하여 마지막 단계 변환이 발생하고 더 높은 전압이 직접 공급될 수 있는 시대가 열릴 수 있습니다.

결론

데이터 센터의 가장 큰 당면 과제 중 하나는 전력 효율성 향상입니다. 많은 경우 효율성을 높이기 위한 노력은 에너지와 관련 운영 비용을 절감하고 이를 통해 TCO(Total Cost of Ownership)를 절감하는 것으로 귀결됩니다. 따라서 더 큰 전력 사용량이 필요하기 때문에 가능한 한 최고 수준의 효율성을 발휘하는 것이 훨씬 더 중요합니다.  

Dell EMC는 다양한 고객과 협력하여 가장 복잡하고 흥미로운 머신 러닝 문제를 해결합니다. ESI(Extreme Scale Infrastructure) 그룹은 최신 전력 기술을 지속적으로 파악하고 적절한 곳에 적용하여 고객이 처리 기능에 대한 끊임없는 수요를 효율적으로 충족할 수 있도록 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

Dell EMC Extreme Scale Infrastructure가 전원 기술을 통해 어떤 일을 하는지에 대한 자세한 내용은 ESI@dell.com으로 문의하십시오.

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