SMPS: 데이터 센터 시스템에서의 중요성

이들 3개 스테이지 각각에서 반도체를 기반으로 한 전력 또는 로직 부품이 토대적인 역할을 한다. PFC 및 PWM/공진 스테이지의 고전압 전력 MOSFET, 다이오드, 컨트롤러와 정류 스테이지의 저전압 전력 MOSFET 또는 다이오드가 바로 그와 같은 부품들이다. 실제로 반도체는 전자 시스템의 전반적인 경향에서와 마찬가지로 SMPS가 진보하는 데 있어서 중요한 역할을 해오고 있다.

전력 전자공학의 역사는 반도체 소자의 발전과 아주 밀접하게 연관되어 있다. 최근에는 시스템 엔지니어링 접근법에 있어서 “디바이스 지향적” 관점에서 “애플리케이션 지향적” 관점으로 사고의 차원이 변화하고 있다. 이러한 변화는 다양한 유형의 거의 모든 애플리케이션에 이용하도록 적정한 전력 정격의 첨단 반도체들이 이미 등장해 있으며 디자이너들이 이러한 반도체를 활용하기 위해서 갈수록 더 유연성과 신뢰성이 뛰어나고 그러면서 또한 당연히 효율이 뛰어난 방식을 추구함에 따라서 촉발된 것이다.

새로운 “시스템 지향적” 접근법에 따라서 특히 IT 컴퓨팅 애플리케이션의 경우에 SMPS를 설계할 때 효율과 전력 밀도가 갈수록 더 중요하게 고려해야 하는 문제가 되고 있다. 그림 2는 이 환경에서 가장 널리 요구되고 있는 효율 기준으로서 80Plus를 보여주고 있다. 이 표준 규격은 통상적인 동작 조건(20, 50, 100퍼센트 부하)으로 최소 효율 요구기준을 정하고 있다.


가장 최근에 도입된 Titanium 기준은 지극히 경부하인 10퍼센트 부하 시에 대해서도 요구기준을 정하고 있다. 이것은 첨단 컴퓨팅 시스템의 동작과도 일치한다. 이러한 시스템에서는 각각의 전원장치가 통상적으로 병렬적인 N+1 예비 구성으로 이용되므로 대부분의 시간에 100퍼센트가 아니라 10퍼센트에 아주 근접하는 부하로 작동하기 때문이다.

과거에는 갈수록 높아지는 효율 요구를 충족하기 위해서 주로 팬의 음향적 소음 발생에 과도한 영향을 미치지 않으면서 전부하 시의 열을 어떻게 소산시키느냐가 가장 중요한 문제였다. 그렇기 때문에 전부하 효율을 극대화하는 데 좀더 역점을 두게 되었다.

하지만 최근에는 소비자 전자기기와 데이터 프로세싱 장비가 폭발적으로 늘어남에 따라서 경부하 작동을 최적화하는 데 중점을 둔 다양한 요구기준들이 등장하게 되었다. 예를 들어서 웹 서비스의 작업량은 하루 중의 시간대, 애플리케이션의 중요도, 외부적 상황 등에 따라서 크게 변동적일 수 있다. 그리고 이것은 고성능 컴퓨팅(High Performance Computing)과 클라우드 서버도 마찬가지이다.

이와 같은 엄격한 경부하 효율 규격을 충족하기 위해서는 전원장치 업체들에게 중대한 설계 상의 과제를 제기하며 전력 반도체 업체와 제어 IC 업체들은 이러한 규격을 충족하고 SMPS의 효율 곡선을 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 되도록 “평탄”하게 하기 위한 기술을 개발하기 위해서 많은 노력을 기울이고 있다.


첨단 데이터 센터는 진열대가 줄줄이 늘어서 있고, 이들 각각의 칸에는 서버가 들어 있고, 각각의 서버에는 SMPS가 들어 있는 것을 볼 수 있다(그림 3). 그러므로 이와 같은 구조물에는 아주 많은 수의 전원장치가 들어있을 것으로 짐작할 수 있다.

통상적인 대규모 서버 팜의 전력 공급 시스템의 내부를 들여다보면 데이터 프로세싱에 1와트가 소모될 때마다 2와트 이상이 전력 변환과 냉각에 낭비된다는 것을 알 수 있다.

데이터 센터 내에서 서버의 효율을 수치화하기 위해서 가장 중요하게 이용되는 매개변수가 TCO(Total Cost of Ownership: 총 유지비용)라고 하는 것인데, 이것은 서버를 갖추고 가동하는 데 들어가는 비용을 말한다. TCO는 크게 CAPEX(Capital Expenditure: 설비 비용)과 OPEX(Operating Expenditure: 운영 비용)의 두 가지 비용 요소로 이루어진다. IT 장비의 가격은 꾸준히 낮아짐으로써 장비 수명에 걸쳐서 전력 비용이 초기 구입 비용과 비교해서 상당한 비중을 차지하게 되었다.

“블레이드”, 1U, 2U 서버 같은 저가장비의 경우에는 이 비용이 더더욱 큰 비중을 차지하게 되었다("U”는 높이가 1.75인치(4.45센티미터)인 유닛을 말함). 그럼으로써 약 3년이면 전력 비용과 냉각 비용이 구입 비용을 상회하게 되었다. 이에 따라서 에너지 비용이 TCO에 갈수록 더 크게 영향을 미침으로써 효율에 대한 고려가 장비 구입 의사결정에 중대하게 영향을 미치게 되었으며 이러한 의사결정의 시작은 SMPS의 선택에서부터 시작된다고 할 수 있다.

뿐만 아니라 IT 장비, 특히 빠르게 증가하고 있는 대규모 데이터 센터 설비 내의 장비들이 갈수록 더 많은 전력을 소모함으로써 CO2 배출 측면에서 중대한 환경적 영향을 미치게 되었다.

TCO에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 장치 부품의 신뢰성이다. 수리를 하기 위해서는 인건비 측면에서나 예비 용량 측면에서나 비싼 비용을 치러야 하기 때문이다. TCO에 마찬가지로 영향을 끼치면서 실체적으로 인식하기가 어려운 또 다른 요소는 서버의 유지보수성(serviceabili ty)이다. 유지보수성(serviceability)은 시간에 관련된 것이므로 수리와 업그레이드가 비용으로 직결된다. 그러므로 이 점에 있어서 SMPS 등의 장치의 크기와 무게는 중대한 영향을 미친다.

이러한 이유에서 효율을 높이고자 하는 요구와 전력 밀도를 높이고자 하는 요구가 동시적으로 이루어지고 있다. 그림 4에서는 SMPS에 대해서 어떤 점들이 요구되고 있는지를 보여준다.

사실 SMPS는 인터넷이 급속도로 확대되기 전까지는 전력 밀도가 극적으로 변화하지 않았다. 불과 10년 전만 하더라도 서버 프론트엔드 파워서플라이의 통상적인 전력 밀도는 10W/in3 대였으나 오늘날 전력 밀도 요구 수준은 40W/in3 대에 이르고 있다. 이런 추세가 계속된다면 몇 년 안으로 50W/in3 이상에 달하는 SMPS가 일반화될 것으로 보인다. 이와 같이 전력 밀도가 극적으로 높아질 수 있는 것은 주로 더 우수한 소자(반도체와 자기 소자), 진보된 패키징 기법, 설계 최적화, 그에 따른 새로운 향상된 제어 기법에 의해서 가능해진 것이다.

앞으로는 효율과 전력 밀도 향상에 가장 중요하게 기여할 수 있는 부분이 시스템 설계방식과 전력 관리 최적화가 될 것이다. 이러한 이유에서 PMBus Consortium은 이미 디지털 전력 관리 버스를 표준화하고 있다. PMBus 표준과 더불어서 디지털 제어 기법 또한 전력 변환에 갈수록 더 널리 채택되고 있다. 대체적으로 디지털 전력 관리는 시스템 차원에서 성능을 최적화할 수 있는 한편, 디지털 제어는 조정가능하면서 부하 종속적 제어 알고리즘을 구현하거나 거의 평탄한 효율 곡선을 달성하도록 하기 위해서 인터리브 구조로 위상차단을 구현함으로써 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 컨버터 레벨 효율을 최적화할 수 있도록 한다.

뿐만 아니라 디지털 제어에서는 전력 모니터링, 보호, 하우스 키핑 기능들을 하드웨어에서 소프트웨어로 전환함으로써 제품 설계 시간을 크게 단축하고, 비용을 절감하고, 양산 단계라 하더라도 매개변수를 편리하게 조정(“tweak ing”)하는 것이 가능하도록 한다.

SMPS에 이용되는 회로 토폴로지와 관련해서는 MOSFET 기술이 발생시키는 스위칭 주파수를 높임으로써 전원 컨버터의 크기를 크게 줄일 수 있다는 점을 실현하기 위해서 반도체 소자의 스위칭 손실을 낮추는 데 중점을 두고 토폴로지에 대한 연구가 이루어지고 있다.

이 점이 통상적으로 PWM 컨버터의 스위칭 주파수를 극대화하는 데에 가장 큰 걸림돌로 여겨져 왔기 때문이다. 그럼으로써 공진 전력 변환에 대한 관심이 크게 고조되었고, ZVS(zero-voltage-switching), ZCS(zero-current-switching), QR(quasi-reson ant), 다중 공진 기법 등을 기반으로 한 새로운 유형의 공진 컨버터 제품들이 개발되게 되었다.

지금까지 살펴본 바와 같이 SMPS의 진보에 있어서 인피니언과 같은 반도체 회사들이 매우 중요한 역할을 하고 있다는 것을 알 수 있다. 전력 소자, 드라이버, IC, 아날로그 및 디지털 컨트롤러를 비롯해서 인피니언의 제품 포트폴리오의 모든 제품들이 이러한 시스템에서 토대적으로 중요한 부품들로 사용되고 있다. 이를 자세히 알 수 있도록 그림 5에서는 통상적인 서버 AC/DC SMPS의 내부 구조와 각각의 스테이지에 어떠한 인피니언 제품들이 사용되고 있는지를 보여준다.


실제로 지난 10년 사이에 SMPS의 성능이 놀랄 만큼 크게 향상될 수 있었던 것은 인피니언이 1990년대 말에 CoolMOS™ 시리즈에 도입한 것으로서 혁신적인 Super Junction 원리를 적용한 고전압 MOSFET을 이용해서 ON 저항이 크게 감소되고 마찬가지로 고전압 SiC(Silicon Carbide) 다이오드의 역 회복 특성이 크게 향상됨으로써 달성할 수 있었던 것이다. 출력 전압이 낮은 애플리케이션의 경우에는 인피니언의 OptiMOS™ 시리즈와 같이 동기 정류기로 이용되는 저전압 MOSFET의 ON 저항이 지속적으로 낮아짐으로써 추가적인 효율 향상이 가능하게 되었다. 하지만 여기에서 멈추지 않고 앞으로도 GaN(Gallium Nitride) 소재 등을 기반으로 한 혁신적인 소자가 등장함으로써 추가적인 혁신적인 향상들이 이어질 것으로 예상된다.

SMPS 기술이 발전하도록 기여할 수 있는 또 다른 중요한 요소는 패키징 기법이다. 패키징에서 가장 중요시되는 목표는 기생전류를 최소화하고 열 성능을 향상시키는 것이다. 전력 밀도를 계속해서 더욱 더 향상시킴에 따라서 갈수록 더 향상된 방식으로 집적도를 높이게 되었다. 일체화된 집적화나 스위치, 드라이버, 제어 회로 등의 반도체 소자들을 동일 패키징으로 통합하는 것은 시스템 크기를 줄이도록 하기 위해서 훌륭한 방법이다. 마찬가지로 PCB 권선을 통합한 자기 소자를 사용하면 더 많은 기능을 통합할 수 있으므로 이러한 자기 소자가 갈수록 폭넓게 사용될 것으로 예상된다.


그런데 한 가지 문제는 잘 알려져 있다시피 반도체 기술은 빠르게 발전하는데 자기 소자와 커패시터 기술은 이러한 발전 속도와 보조를 맞추고 있지 못하다는 것이다. 자기 소자 업체들은 주로 특정 주파수 대에 대해서 기존 소재를 최적화하고 디자이너들에게 확실하게 유용한 점으로서 특히 낮은 구조의 평면 코어에 있어서 코어 형태와 크기의 포트폴리오를 확대하는 데에 역점을 두어 왔다.

하지만 고주파 애플리케이션에서 여전히 실제적으로 중요한 해결 과제로 여겨지고 있는 스킨 효과(skin effect)나 근접 효과(proximity effect)로 인한 구리 손실을 더욱 더 최소화하기 위해서는 혁신적인 솔루션이 요구되고 있다. 끝으로, 저전압 커패시터 기술 측면에서 일부 발전이 이루어져 왔으나 에너지 저장 (벌크) 커패시터로 이용되는 고전압 전해질 커패시터는 여전히 크게 변화하지 않고 있다. 실제로 일부 소형화된 크기의 제품들이 등장하고 있으나 체적당 정격 커패시턴스 비율은 여전히 비교적 낮은 편이다.

인터넷 인프라가 급속히 팽창하고 에너지 비용이 상승하고 환경적 요구가 높아짐에 따라서 서버와 데이터 센터 디자인에서 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 SMPS의 효율을 최적화하는 것이 중요한 요구사항으로서 부각되게 되었다. 이러한 까다로운 요구에 더해서 갈수록 더 높은 전력 밀도가 요구되고 있으므로 이러한 요구들을 충족하기 위해서는 SMPS 기술을 계속해서 더더욱 향상시켜야만 할 것이다.

과거에는 주로 토폴로지 최적화를 통해서 특히 반도체와 자기 소자의 성능 향상을 통해서 중대한 성능 향상을 달성하여 왔다. 하지만 앞으로의 성능 향상은 시스템 설계방식 최적화, 전력 관리, 전반적으로 향상된 제어 알고리즘, 그리고 패키징 기술과 열 관리를 통해서 이룰 수 있을 것이다.