혁신적인 반도체 설계 및 패키징 기술은 서버 전력 수요 증가에 따라 데이터 센터의 효율성을 개선하고 있습니다.
우리가 최신 영화를 스트리밍하거나, AI 기반의 음성 지원과 대화하거나, 노트북 컴퓨터를 사용하여 집에서 비즈니스 미팅에 참석할 때마다, 데이터 센터를 통해 대량의 디지털 정보를 전송하고 막대한 양의 전기를 소비하는 자원을 사용하고 있습니다. 그리고 그 사용량은 늘어만 가고 있습니다.
2022년, 세계는 100제타바이트, 즉 100조 기가바이트에 가까운 데이터를 생성하고 소비했습니다. 헤아릴 수 없을 정도로 광대한 비트의 바다는 2025년쯤 거의 두 배가 될 것으로 예상됩니다.1 그리고 점점 더 많은 데이터가 수천 대의 서버로 채워진 하이퍼스케일 데이터 센터를 통해 실행되고 있습니다.
계산이 이루어진 마지막 해인 2018년 미국 정부의 추정에 따르면 데이터 센터의 에너지 수요는 연간 70테라와트시입니다.2 블록체인 채굴 증가만으로도 이후 수치는 2배 이상 늘었습니다. 데이터센터 에너지 효율화 전문 센터에 따르면 현재 데이터 센터 소비량은 미국 전체 전력 소비량의 최소 2%를 차지할 것으로 예상됩니다.3 이는 환경에 상당한 영향을 미치기에 충분하며, 데이터 센터를 보다 지속 가능하게 운영할 수 있도록 지원한다는 목표에 시급성을 더합니다.
이러한 센터의 서버가 폭발적으로 증가하는 데이터 흐름을 다루고 처리하도록 진화함에 따라 각 서버가 소비하는 전력도 증가하고 있습니다. 로버트 테일러(Robert Taylor) 산업 전력 관리 전문 기업의 시스템 매니저는 "이전 몇 년 동안 서버당 평균 1,500와트에서 새로운 서버에서는 3,000와트로 증가했습니다." 라고 말했습니다.
더 높은 전력 밀도를 달성하고 서버 전원공급장치(PSU)에서 향상된 효율성을 달성하는 것이 더 효율적인 데이터 센터 운영을 달성하는 한 가지 방법입니다.
로버트 매니저는 서버 PSU를 업그레이드하는 것이 더 시급하다고 말했습니다. 데이터 센터의 전력 수요가 증가면서 병목 현상이 발생하고 있습니다. 대부분의 하이퍼스케일 데이터 센터는 50메가와트 이상의 전력을 공급받을 수 없습니다.
로버트 매니저는 "이러한 데이터 센터에서는 총 전력량이 제한되어 있기 때문에 냉각 및 전자장치의 비효율성으로 인한 손실에서 전력 낭비를 가능한 한 줄여야 합니다."라고 말했습니다.
동시에 서버 업계는 각 랙의 컴퓨팅 성능을 강화하기 위해 인쇄 회로 기판의 설치 면적 축소를 요구하고 있다고 그는 말했습니다. 이는 서버의 전원 구성 요소가 과도한 열을 발생시키지 않고 더 작고 더 효율적이 되어야 한다는 것을 의미합니다.
당사는 현재 및 미래 세대 첨단 데이터 센터의 벅찬 성능, 효율성 및 열 관리 요구를 충족하는 혁신적인 반도체 전력 제품 생산에 앞장서 왔습니다. 결과적으로 전원 공급장치는 가장 큰 데이터 센터도 더 지속 가능한 설치 면적으로 원활하게 운영할 수 있도록 지원합니다.
높은 전력 및 온도 처리
에너지 효율이 뛰어난 고성능 반도체 전원공급장치의 핵심은 그 어느 때보다 높은 수준의 전력 밀도를 달성하는 것입니다. 즉, 더 많은 전력 처리 용량을 더 작은 볼륨 안에 넣는 것입니다. 그러나 더 높은 전력 밀도는 또한 더 많은 열을 더 줄어든 볼륨에 넣으면서 성능을 유지하고 구성 요소를 보호하려면 고급 열 관리 기술이 필요합니다.
더 높은 전력 밀도에 대한 요구는 데이터 센터에만 국한된 것이 아닙니다. 그리드 및 통신 장비에서 전기 자동차 및 개인 전자 제품에 이르기까지 전기 시스템은 또한 밀도가 높고 열 효율이 높은 전원 칩이 제공하는 성능과 효율성을 필요로 합니다.
효율적인 패키지로 열 감소
TI는 서버 전원 공급 칩에 더 높은 전력 밀도를 제공하는 과제에 박차를 가하고 있습니다. 스위치가 통합된 SOT(Small Outline Transistor) 패키지는 비용을 낮추면서 전력 밀도와 성능의 경계를 확장하고 있습니다.
이러한 발전은 열 관리에 대한 혁신적인 접근 없이는 불가능할 것입니다. 열 성능을 최적화하고 칩 수준에서 전력 밀도 장벽을 극복하기 위해 TI가 중점을 두는 세 가지 핵심 영역은 프로세스 기술, 회로 설계 기술 및 열 최적화 패키징입니다.
서버에서 발생하는 열의 대부분은 400V에서 들어오는 AC 전원을 6V 이하의 DC 전원으로 변환할 때 발생하는 전력 손실에서 비롯됩니다. TLVM13630 전원 모듈과 같은 제품은 빠른 스위칭 속도와 낮은 저항을 제공하는 통합 전계 효과 트랜지스터(FET)와 함께 향상된 Hotrod
QFN(Quad Flat No Lead) 패키지 기술을 사용하여 전력 손실을 대폭 줄여 칩 효율성을 높이고 열을 줄입니다.
레 스타크(Les Stark) TI QFN 및 SOT 패키지 개발 담당 이사는 "실리콘을 방해하는 모든 저항이 비효율이며, 이것이 바로 전력 낭비와 여분의 열입니다"라고 말했습니다.
여분의 열을 발생시키는 손실을 더욱 줄이기 위해 TI는 FET와 커패시터를 포함하여 전원 칩에 더 많은 구성 요소를 통합하는 등 업계 최고의 역량을 활용하고 있습니다. 이러한 통합은 최저 온 저항의 TPS25985 eFuse와 같이 소음이 적은 보다 빠르고 효율적인 스위칭이 가능하여 80A의 전류를 달성하면서 더 나은 열 성능을 제공합니다. 경우에 따라 TI는 칩에 구성 요소를 3차원적으로 쌓아서 더 높은 통합을 달성합니다.
열적으로 개선된 패키지로 효과적으로 열 제거
TI는 또한 혁신적인 장치 패키징으로 칩의 열을 제거하는 데 앞장서 왔습니다. 예를 들어, TI는 신호가 칩에 들어오고 나가는 데 본드 와이어에 의존하지 않고 칩의 표면과 커넥터를 회로 기판에 직접 접합하기 위해 플립 칩 스타일 패키지를 사용하는 HotRod 및 개선된 HotRod QFN 패키지를 개척했습니다. 이런 보다 직접적인 연결은 칩에서 보드로 열을 이동시키는 데 매우 효율적입니다.
레 이사는 "이 패키지 설계는 이전에는 불가능했던 큰 접지 패드를 제공하여 장치에서 인쇄 회로 기판으로 좋은 열 경로를 제공합니다."라고 말했습니다.
열 제거에 대한 TI의 다른 발전된 접근 방식에는 개선된 상부 냉각을 달성하기 위한 보다 효과적인 히트 싱크 배치가 포함됩니다. TI의 질화갈륨(GaN) FET는 상부 냉각 패키지를 사용하며, 이는 각 서버에 더 많은 컴퓨팅 성능을 제공하려는 원동력이 칩에서 열을 제거하는 더 많은 방법을 필요로 하는 새롭고 밀도가 높은 구성 요소 배열로 이어지면서 데이터 센터 시스템에서 점점 더 중요해질 것입니다.
"GaN이 우리가 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있게 해주기 때문에, 냉각에 대한 이러한 종류의 유연한 접근 방식이 더욱 중요해질 것입니다."라고 로버트 매니저는 말했습니다.
작은 칩에서 이러한 효율성 증대 및 열 제거 접근 방식 중 하나라도 사용하면 열 관리와 효율에 큰 기여를 할 수 있습니다. 패키지의 크기와 효율성을 모두 최적화하여 TI는 데이터 센터 고객의 발열 문제를 해결하고 환경 설치 면적을 줄일 수 있도록 지원하고 있습니다.
1 출처: https://www.statista.com/statistics/871513/worldwide-data-created/
2 출처: 데이터센터 에너지 효율화 전문 센터
3 출처: 데이터 센터 에너지 효율화 전문 센터
HotRod는 Texas Instruments의 상표입니다.
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