글_ 해리 소인, Advanced Energy의 하이퍼스케일 기술 마케팅 수석 이사
수 억에서 수 십억 달러의 자본 투자가 이뤄지는 최첨단 데이터 센터 운영자들은 비용 절감을 위해 모든 방법을 동원하게 된다. 특히 전 세계 전력 소비의 3%1) 이상을 차지하는 데이터 센터를 운영하는 에너지 효율성을 극대화하는 것은 최우선 과제라고 할 수 있다.
최근에는 이러한 요인들이 합쳐져서 데이터 센터 장비 설계의 표준과 고효율을 위한 노력을 가속화하고 있다. 특히 컴퓨팅 장비의 전원에서는 이러한 추세가 반영되어 48V 전원 공급 장치의 기술이 점점 진화되는 중이다.
데이터 센터의 표준화는 2019년에2) ORv3을 출시했던 2 Open Compute Project (OPC)의 ‘오픈 랙 이니셔티브’에 잘 나타나 있다. 부품 및 시스템 단계에서 모두 전력 밀도를 높이려는 요구에 부응하는 21인치 폭의 최신 오픈 랙 설계는 48V 전력 전달 방식을 지원하므로 기존의 12V 아키텍처에 비해 상당한 이점을 제공한다.
이러한 장점으로는 최고 1.1% 전력 요금 감소(미국 에너지 정보 관리국 추정)가 가능한 전력 변환 효율성 향상을 비롯해 열 성능 향상, 최고 1.5%에 이르는 하드웨어 비용 절감 등이 있다. 48V 아키텍처의 효율성에 대한 장점은 본 기고문의 후반부에서 더 자세히 설명하기로 한다.
하드웨어 비용을 절감하는 방법들 중 하나는 현재 업계에서 일반적으로 사용 중인 고전적인 전원 공급 장치 모듈을 ‘전력 선반’ 아키텍처로 전환하는 것이다. 전원 선반 아키텍처에서 랙 장착이 가능한 구성은 공간 효율적이다. 44U 랙에서 전원 공급용 1U와 배터리 백업용 1U를 사용하면 각 랙이 최대 42개의 블레이드를 수치적으로 수용할 수 있다.
리튬 이온 배터리 백업 장치를 랙의 다른 부품들과 통합할 경우 긴 케이블 길이를 납 축전지 배터리 뱅크가 포함된 별도의 공간으로 세분화하고 제거하는 장점이 있게 된다. 이처럼 중요한 장점은 OCP 설계를 사용하는 데이터 센터의 컴퓨터 밀도 (및 이에 따른 전력 요구 사항)와 동일한 19인치 폭의 오픈 프레임 랙을 사용하는 데이터 센터에도 동일하게 적용된다.
에너지 절감을 위한 노력
미국의 데이터 센터 전력 소비량은 2022년 이후 계속 매년 4~5%의 성장률을 보이며 증가할 것으로 예상된다. 그러나 전력 공급 장치 효율성을 개선하면서 전력 사용량을 줄이기 위한 업계의 노력에 대한 이 평가는 실제로 데이터 센터 컴퓨팅 용량의 성장률보다 훨씬 낮다. 특히 2010년 이후 이러한 효율성 개선을 위한 노력들이 전력 사용에 많은 영향을 미쳤지만 (그림 1) 지속적인 혁신의 필요성은 계속 더해지고 있다.
컴퓨팅 아키텍처의 추세들이 향후 몇 년 동안 일어날 데이터 센터의 전력 수요 증가를 주도하고 있다. AI 및 클라우드 애플리케이션은 더 높은 전력 레벨을 요구하는 마이크로프로세서, GPU, FPGA 및 ASIC등 첨단 하드웨어의 채택을 필요로 한다.
예를 들어 인텔의 “스카이 레이크”와 AMD의 “로마” 등 첨단 프로세서는 230-300W의 전력을 소비할 것으로 예상되며 인텔의 “아이스 레이크”는 무려 약 450W의 전력을 소비할 것으로 보인다. 그런가 하면 엔비디아의 현재 및 차세대 GPU 소비 전력은 약 600 W가 될 것으로 추정된다. 이는 곧 랙 하나 당 필요한 전력이 크게 증가할 것이라는 의미이다. (그림 3)
랙당 전력 요구 사항이 20-40kW로 증가함에 따라 48V 전력 아키텍처로의 이동이 필수적이다. 출력 전력이 증가함에 따라 전력 분산의 손실이 커지며 출력 버스 바의 크기도 늘어나게 된다. 이를 염두에 두고 48V에 비해 12V 아키텍처의 효율성이 어찌 되는 지를 고려해야 한다.
변환 효율성은 데이터 센터에서 전력 사용을 결정하는 방정식의 한 요소일 뿐이다. 12V 대신 48V를 선호하는 다른 요인은 동일한 전력 레벨에 대해 소비 전력이 12V보다 4배 감소하고 분산 손실이 16배 낮다는 것이다. 이는 열 성능이 향상됨에 따라 냉각 요구 사항이 감소해 전력 버스 바의 크기를 줄이는 효과를 내는 데 이는 궁극적으로 데이터 센터의 구동에 사용되는 전체 전력과 관련된 모든 것에 해당이 된다.
그렇다면 이 수치들은 실제 비용 면에서 무엇을 의미할까? 전체 에너지의 50%을 소비하며1.6의 전력효율지수 (PUE: Power Usage Effectiveness)를 가지는 서버들이 장착된 10MW급 전체 전력 사용량의 데이터 센터의 경우 서버 전력 공급 효율이 2% 증가하면 전기 사용량이 1.6% 감소한다. 이는 연간 140만 kWh 절약 효과와 맞먹으며 CO2 배출량이 2,100만 파운드 (약 950만 킬로그램) 이상 줄어든 것과 같다 (그림 4). kWh당 $0.07의 전기료를 기준으로 계산하면 무려 $98,000를 절감하게 된다는 이야기다. 수 백 또는 수 천 개의 서버가 장착된 데이터 센터에서라면 이러한 비용 절감 효과는 무척 빠르게 증가하게 된다.
표준화의 핵심인 상호 운용성
현재 데이터 센터의 약 15%가 이미48V 전력 아키텍처를 채택했지만 나머지는 여전히 12V 전원 아키텍처를 계속 사용 중이다. 그러나 48V 아키텍쳐로의 전환이 가속화됨에 따라 Advanced Energy는 데이터 센터의 50%가 이 2020년대 중반까지 48V를 구현할 것으로 예상하고 있다. 위에서 언급했듯이 데이터 센터 운용 기술을 이끄는 주요한 경제적인 동인은 장비 비용 효율성을 달성하기 위한 표준화이다.
전원 공급 장치 설계를 고려할 때, 이러한 표준화를 위해서는 비독점적 제어 방법을 채택해 이종 환경에서 전압 및 전류 루프 대역폭이 모두 적절히 일치할 수 있음을 보장해 상호 운용성을 지원하려는 공급업체의 노력이 필요하다. 이러한 표준화 노력에 적극적인 Advanced Energy는 OCP ORv3의 주요 기여자로서 하이퍼스케일 데이터 센터 부문의 주요 OCP 사용자 및 선도업체들과 협력을 통해 데이터 센터 배포 전반에 걸쳐 고객사들을 위한 공통 전력 플랫폼을 구축 중이다. 이에 따라 궁극적으로 48V 아키텍처 채택을 늘려서 규모의 경제를 실현하고 있다.
현재 Advanced Energy는 97.5%의 효율성과 18, 24, 30 및 34kW의 출력 레벨을 갖춘 ORv3 전원 선반 제품군을 비롯해 1U, 21인치 랙 구성의 리튬 이온 셀 BBU등 다양한 48V 공급 솔루션을 제공한다. 97%의 효율을 가진 전원 공급 장치와 36kW의 총출력을 갖춘 EIA 랙 프레임 전원 선반도 인기리에 공급하고 있다.
데이터 센터의 미래
데이터 센터의 미래를 살펴보면 서버 전력 수요가 30kW를 초과하므로 강제식 공기 냉각법이 더 이상 안전한 작동 온도를 유지하기에 적당하지 않게 될 가능성이 높다. 그래서 공기에 비해 액체의 우수한 열 전달 특성을 활용하는 액체 냉각식이 다양하게 개발 중이다. 3) 현재로서는 직접 상면에 적용되는 단계에 머물러 있지만 이 기술은 부품들을 비전도성 유체에 잠기게 하는 침전 냉각법으로도 발전할 수 있다. Advanced Energy는 이미 액체 냉각식에 쉽게 적응하는 전원 공급 장치 분야로의 기술을 개발 중이며 이를 통해 침전 냉각 플랫폼에도 적용이 가능한 것으로 보인다.
데이터 센터가 점점 커지고 더 많이 설치됨에 따라 이렇듯 그 효율성도 높아져야 한다는 것에는 의심의 여지가 없다. 데이터 센터와 클라우드 서비스는 앞으로도 전 세계에서 생성된 데이터 양이 기하급수적으로 증가하는 디지털 라이프스타일의 중추를 형성하게 될 것이다.
2019년에 18.3 제타 바이트의 데이터를 사용했던 IoT 기기가 더욱 많이 채택됨에 따라 이 데이터 양은 2025년에 73.1 제타 바이트로 거의 4배 늘어날 전망이다.4) 이렇듯 점점 더 커지는 디지털 경제에서 데이터 센터의 역할은 더욱 중요해질 것이다. Advanced Energy는 이러한 성장에 핵심적인 기여를 하면서 고효율 고성능 전력 공급 솔루션으로 데이터 센터의 가장 어려운 과제를 해결하려는 노력을 배가하고 있다.
주:
[2] https://engineering.fb.com/2019/03/15/data-center-engineering/open-rack/
[3] https://searchdatacenter.techtarget.com/feature/Liquid-cooling-vs-air-cooling-in-the-data-center
[4] https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prAP46737220
