인공지능과 빅데이터 기술의 급속한 발전에 따라 AI 서버는 클라우드 컴퓨팅, 딥러닝, 자율주행, 지능형 로봇 등의 분야에서 중요한 작업을 수행하는 계산 집약적 장치로 자리 잡고 있습니다. AI 서버의 성능과 안정성은 전원 시스템 설계에 크게 의존합니다. 컴퓨팅 성능 요구가 계속 증가함에 따라 기존의 전원 아키텍처는 효율적이고 안정적인 전력 공급을 제공하는 데 점차 한계를 보이고 있으며, 이에 따라 48V 분산 전원 공급, 다상 벅 컨버전, 디지털 제어와 같은 고급 전원 아키텍처가 주류 솔루션으로 등장하고 있습니다.
1- AI 서버의 주요 전원 아키텍처
1.1 중앙집중식 전원 아키텍처
기존의 중앙집중식 전원 공급 장치는 단일 전원 공급 장치(PSU)를 사용하여 AC 전력을 12V DC 전력으로 변환한 후, 마더보드를 통해 다양한 부하에 분배한다. 이 방식은 설계가 정숙하고 비용이 낮으며 통합 관리가 용이하다. 그러나 AI 서버의 컴퓨팅 성능이 증가함에 따라 이러한 방식의 단점들이 드러나고 있다. 긴 12V 전송 경로로 인해 도체 손실(I²R)이 크게 증가하며, 전압 조정 대역폭이 제한되어 동적 응답 속도에 영향을 미친다. 또한 CPU/GPU의 나노초 수준 급격한 부하 변화에 대응하기 어렵고, 시스템 중복성이 낮아 단일 전원 모듈의 고장 시 전체 시스템이 다운될 수 있어 신뢰성이 부족하다.
1.2 분산형 전원 아키텍처(DPA)
분산형 전원 아키텍처는 대규모 AI 서버를 위한 선호되는 선택으로 자리 잡았다. 이 아키텍처의 핵심은 48V 중간 버스 전원 공급 방식을 사용하는 것이다. 전원공급장치(PSU)는 48V DC를 출력하며, 높은 전송 전압과 낮은 전송 전류의 특성을 활용해 배전 경로에서의 에너지 손실을 크게 줄인다. CPU 및 GPU와 같은 주요 부하 근처에는 부하점 전원변환기(POL)가 배치되어 48V를 필요한 저전압(예: 0.8V-1.8V)으로 직접 변환함으로써 지역화되고 정밀한 전원 공급을 실현하며, 이는 과도 응답 속도와 전압 조정 정밀도를 크게 향상시킨다.
48V 분산형 전원 아키텍처 (이미지 출처: 인터넷)
1.3 다중 위상 벅(Buck) 변환 아키텍처
이는 POL에서 매우 높은 전력 소모 부하(예: CPU/GPU)에 전원을 공급하기 위한 구체적인 구현 솔루션입니다. 복수의 병렬 동기식 벅 회로를 번갈아 가며 작동시켜 단일 프로세서에 전력을 공급함으로써, 각 위상당 전류 스트레스 및 열 손실을 전류 분배 후 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 다중 위상 인터리빙 작동을 통해 출력 전류 리플을 효과적으로 평활화하여 디커플링 커패시터에 대한 의존도를 낮출 수 있으며, 프로세서의 전력 소비량에 따라 위상의 개수를 동적으로 활성화/비활성화함으로써 경부하 효율을 최적화할 수 있습니다.
1.4 디지털 전원 제어 아키텍처
아날로그 회로 일부를 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 마이크로컨트롤러(MCU)로 대체함으로써 지능형 전원 관리를 구현한다. 이는 동적 응답과 에너지 효율을 최적화하기 위한 더욱 복잡하고 유연한 제어 알고리즘을 가능하게 할 뿐만 아니라, 소프트웨어를 통한 실시간 모니터링, 파라미터 조정, 고장 예측 및 원격 관리(PMBus/I2C 프로토콜 기반 등)도 지원한다. 고급 설계는 종종 지능성과 속도의 균형을 맞추기 위해 디지털 관리와 아날로그 고속 응답의 하이브리드 방식을 채택한다.
1.5 모듈형 전원 공급 장치
데이터 센터급 AI 서버에서 널리 사용됩니다. 표준화된 전원 모듈(예: CRPS)은 핫스왑, N+1 중복 기능 및 온라인 유지보수를 지원하여 비즈니스 운영의 극도로 높은 가용성을 보장합니다. 이러한 지능형 기능을 통해 부하 조건에 따라 가동 중인 모듈 수를 동적으로 조정할 수 있어 경부하 상태에서의 비효율적인 운용을 방지하고 데이터 센터 전체의 에너지 효율을 크게 향상시킵니다.
aI 서버 전원 공급 아키텍처의 발전이 인덕터에 제기하는 과제
AI 서버 전원 아키텍처의 혁신은 인덕터에 더욱 엄격한 성능 요구사항을 부과하며, 이는 전원 설계 발전과 함께 인덕터 기술의 진화를 촉진하고 있습니다. 인덕터 제품은 다음의 요구사항을 충족해야 합니다.
① 낮은 DC 저항: 고성능 AI 서버에 대한 현재의 요구 사항이 크게 증가하면서 인덕터는 강력한 전류 수송 능력과 뛰어난 열 관리 성능을 갖추어야 한다. 인덕터가 대전류를 흘릴 때 열이 발생하며, 열 방출이 원활하지 않으면 인덕터 소재의 성능 저하 또는 고장으로 이어져 전원 공급 안정성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 낮은 직류 저항(DCR) 설계는 에너지 손실과 발열을 효과적으로 줄여주는 핵심 파라미터로, 인덕터가 고전류 응용 분야에서 뛰어난 신뢰성을 보일 수 있도록 한다.
② 고주파, 저손실: 최신 AI 서버 전원 공급 장치는 효율성이 97% 이상, 혹은 99%에 이를 정도로 요구되며, 시스템 내 손실의 상당 부분은 인덕터 변압기에서 발생한다. 전력 변환 주파수가 계속 증가함에 따라, 인덕터는 고주파 성능과 고효율을 동시에 균형 있게 유지해야 하며, 와전류 및 히스테리시스 손실을 최소화해야 한다. 고주파 전류로 인해 증가하는 손실은 광범위한 주파수 범위와 고효율 요구 조건을 충족하기 위해 인덕터 소재와 구조의 지속적인 최적화를 필요로 한다.
③ 소형화 및 얇은 디자인: AI 서버는 내부 공간이 제한적이므로 인덕터 크기를 더욱 작게 축소하면서도 성능을 유지해야 하는 요구가 있습니다. 소형화 및 얇은 프로파일 설계는 향후 인덕터 개발의 주요 트렌드입니다. 고밀도 자기 코어 소재와 선진 성형 기술을 활용함으로써 인덕터를 더 작고 가볍게 만들 수 있으며, 이는 고밀도 실장에 유리하고 소중한 PCB 공간을 효과적으로 절약할 수 있습니다. 또한 이러한 설계는 복잡한 환경에서 성능 저하를 방지하기 위해 기계적 강도와 열 성능 간의 균형을 확보해야 합니다.
④ 높은 신뢰성: AI 서버는 일반적으로 넓은 온도 범위와 장기간 연속 부하 조건에서 작동합니다. 따라서 인덕터는 우수한 온도 적응성과 신뢰할 수 있는 안정성을 가져야 하며, 고온 및 환경 변화의 영향에 효과적으로 견딜 수 있어 장비의 지속적이고 안정적인 작동을 보장해야 합니다.
⑤ EMI 성능: 자기 차폐 구조는 전자기 간섭이 인근 부품이나 신호선에 미치는 손상을 효과적으로 억제하여 서버가 약한 신호를 정밀하게 처리할 수 있도록 보장합니다. 고성능 EMI 인덕터는 전자기 환경 오염을 줄이고 전체 시스템의 간섭 저항 능력을 향상시킵니다.
⑥ 저소음 설계: 서버 소음 제어에 대한 요구가 증가함에 따라 인덕터의 윙윙거리는 소리도 주목받고 있습니다. 인덕터 자체의 진동으로 발생하는 윙윙거리는 소음은 데이터센터 환경과 사용자 경험에 영향을 미칩니다. 특히 대규모 클라우드 데이터센터 서버실에서 저소음 설계의 중요성은 간과할 수 없습니다. 성형 인덕터 기술과 공진 주파수 조정은 윙윙거리는 소음을 줄이는 데 효과적인 해결책을 제공하며, 서버 전원 공급 장치의 환경 적응성을 크게 향상시킵니다.
요약하자면, 인덕터는 AI 서버 전원 시스템에서 높은 전류, 소형화, 고주파, 강한 간섭 방지 성능, 넓은 온도 적응 범위 및 낮은 잡음과 같은 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 새로운 트렌드 하에서 엄격한 응용 요구사항을 충족하기 위해서는 소재 혁신, 구조 최적화 및 공정 업그레이드를 통한 지속적인 발전이 필요합니다.
3- AI 서버 전원 공급 장치에서 인덕터의 응용 및 선택 권장 사항
AI 서버 전원 공급 장치 내 인덕터는 필터링, 차단, 전압 및 전류 안정화, 잡음 억제 등 다양한 기능을 수행합니다. 새로운 트렌드 하에서 AI 서버가 요구하는 고성능 및 고신뢰성 조건을 만족시키기 위해서는 적절한 인덕터 선정이 매우 중요합니다. Codaca 고신뢰성 인덕터 솔루션에 집중해 왔으며, AI 서버 및 관련 지능형 장치용으로 초고전류 전력 인덕터, 소형 고전류 전력 인덕터, 몰드형 저인덕턴스 고전류 인덕터 등 다양한 범주에 걸친 다수의 고효율 인덕터 제품을 출시하였습니다.
그중에서도 컴팩트 고전류 전력 인덕터 CSBA 시리즈 코다카(Codaca)가 자체 개발한 자성 분말 코어 소재를 채택하여 극도로 낮은 코어 손실과 우수한 소프트 포화 전류 특성, 고주파 저손실 특성을 갖추고 있습니다. 슬림한 설계로 설치 공간을 절약하여 고밀도 실장 요구 조건에 적합합니다. 동작 온도 범위는 -55℃에서 +170℃로 고온 작동 환경에도 적응할 수 있습니다. CSBA 시리즈 인덕터는 고효율 GaN 전원 공급 장치가 요구하는 고주파 저손실, 고전력 밀도, 광범위한 온도 범위 등의 성능 조건을 충족하며, DC-DC 컨버터 및 스위칭 레귤레이터와 같은 핵심 모듈에 널리 사용됩니다.
그 cSHN 시리즈의 성형 인덕터 , AI 응용 분야에 특화되어 설계된 제품으로, 초저소음의 성형 구조를 채택하고 있습니다. 초저자속, 극도로 낮은 직류 저항, 우수한 부드러운 포화 특성 및 높은 전류 용량을 특징으로 하며, AI 칩 및 파워 모듈의 소형화와 고밀도 패키징 요구 사항을 충족하기 위해 슬림 디자인이 적용되었습니다. 동작 온도 범위는 -40℃에서 +125℃이며, 지능형 컴퓨팅 장치의 엄격한 요구 조건을 만족합니다.
부품을 선택할 때 엔지니어는 AI 서버의 부하 특성, 전류, 크기, 동작 주파수 및 냉각 조건을 고려하여 가장 적합한 인덕터 모델을 선택해야 합니다. 예를 들어, 공간이 제한된 소형 서버 케이스의 경우 CSBA 시리즈 소형 고포트 파워 인덕터 가 이상적인 선택이 될 수 있습니다. AI 응용 분야에서 요구하는 낮은 인덕턴스, 고전류, 소형 크기를 충족하기 위해 AI 성형 인덕터 CSHN 시리즈 선택할 수 있습니다. 고성능 인덕터 제품을 적절히 매칭하면 AI 서버의 전력 변환 효율과 시스템 안정성을 극대화할 수 있습니다.
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