그리드에서 게이트까지: 3차 에너지 혁명의 동력

이 블로그는 TI 전력 설계 서비스 및 전력 공급 부문 총괄 매니저 Robert Taylor와 에너지 인프라 부문 총괄 매니저 Henrik Mannesson이 작성했습니다.

패러다임의 변화가 우리의 눈앞에서 이루어지고 있습니다. 18세기 및 19세기 영국에서는 석탄을 이용하여 산업 혁명을 이끌었으며, 기계를 이용한 제조 시스템으로의 전환을 이루었습니다. 이것이 바로 1차 에너지 혁명입니다. 이후 20세기 미국에서 오일 붐이 일어나 차량 및 전기 산업 분야에서 전례 없는 발전이 이루어지며 2차 에너지 혁명이 시작되었습니다.

그리고 오늘날 빠르게 성장하고 있는 인공지능(AI)은 우리가 소비하는 막대한 양의 데이터에 필요한 에너지의 생산, 변환 및 분배 과정에 관한 3차 에너지 혁명을 이끌고 있습니다. 데이터센터에 필요한 에너지를 생성하는 방법과 그 에너지를 그리드부터 프로세서의 게이트에 이르기까지 전력 경로를 따라 효율적으로 전달하는 방법을 연구하는 것은  현재 가장 흥미로운 도전 과제가 되고 있습니다.

분배 레벨의 변화

AI 데이터센터가 요구하는 컴퓨팅 전력량이 변화함에 따라, 데이터센터 아키텍처는 중대한 변화를 겪고 있습니다. 일반적으로 서버는 데이터센터의 컴퓨팅 랙 내에서 서로 위로 적층되며, PSU(전원 공급 장치)는 아래쪽에 위치합니다. AC(교류)는 모든 서버 랙으로 분배되며, PSU가 이를 48V로 변환한 후 12V로 낮춥니다. 이후 서버 내 POL(Point-of-load) 컨버터가 이를 프로세서 게이트 코어 전압으로 낮춥니다.

생성형 AI의 등장과 더불어 정보 처리를 위한 더 많은 서버가 추가됨에 따라, 랙이 요구하는 전력량은 크게 증가하였습니다. 예를 들어, LLM(대규모 언어 모델)에 질문을 입력하는 경우 검색 엔진에 동일한 질문을 입력한 경우에 비해 10배의 전력량을 요구합니다. 이러한 전력 레벨 증가로 인해 전력 아키텍처는 한계에 도달하게 됩니다.

이러한 이유로, 데이터센터 운영자는 단일 컴퓨팅(또는 IT) 랙에 더 많은 전력과 서버를 위한 공간을 마련하고자 서버 랙 바깥에서 AC를 DC(직류)로 변환하는 방식을 재구상하고 있습니다. 그러한 방법 중 하나로, PSU를 별도의 랙(사이드카)으로 옮기고, 이 랙을 IT 랙 옆에 배치하는 방식이 있습니다. 그러나 궁극적인 목표는 서버 홀 전체에 걸쳐 고전압 DC를 분배하는 별도의 전력 룸을 마련하는 것입니다. 

태양 에너지를 통한 전력 요구 충족

데이터센터는 점차 거대하게 진화하는 워크로드에 맞춰 더 많은 전력을 요구하고 있으며, 이에 대한 대안으로는 재생 에너지가 있습니다. 태양 에너지는 세계 곳곳에서 실용적이면서도 경제적인 에너지 소스로서 점차 많이 이용되고 있습니다. 동시에 데이터센터 고객은 회사 내에서도 100% 재생 에너지를 위해 전념하고 있으며, 이러한 헌신은 고객이 사용하는 데이터센터에도 반영되어야 합니다. 태양 에너지를 통해 데이터센터 고객이 지속 가능성 목표를 달성할 뿐 아니라, 더 많은 에너지를 생산하여 배포할 수 있는 신속한 방법을 제공합니다. 

태양 전력 변환 프로세스의 중심에는 반도체가 사용되며, 이러한 기술을 활용하여 데이터센터 요구 전력량을 충족할 수 있습니다. 그리드에 있어 태양 에너지가 안정적인 에너지 소스가 되기 위해서는 효율적인 전력 변환 및 정밀 감지 기술이 필수적입니다.

태양 에너지 출력 최대화를 위한 에너지 저장

데이터센터는 매일 밤낮없이 운영되지만, 태양 에너지는 낮에만 이용할 수 있습니다. 그렇다면 태양광이 없는 상태에서는 태양 에너지가 데이터센터에 어떻게 전력을 공급할까요? 여기에서 배터리 ESS(에너지 저장 시스템)가 중요한 퍼즐 조각이 됩니다. 이를 통해 필요시 언제든지 에너지를 사용할 수 있습니다.

배터리는 이미 그리드의 필수 부품이며, 그리드 전반에 걸쳐 대량의 전력을 효율적으로 저장 및 방출합니다. 이제 배터리는 데이터센터 전용으로도 사용됩니다. ESS 내 배터리 관리 시스템은 배터리 셀을 모니터링하고, 배터리 내의 에너지 양을 평가하며, 전압을 측정하고, 전하 상태 및 배터리 상태를 판단함으로써 사용 가능한 필수 전력이 안정적으로 공급되도록 지원합니다.

AI의 시대에서는 데이터가 새로운 화폐이며, 전례 없이 귀중한 자원과 같습니다. 따라서 이에 전력을 공급하고, 지속적으로 유지해야만 합니다. 공장의 시초에는 석탄이 사용되었고, 차량 산업의 발전에는 오일이 사용되었으며, 현재는 재생 에너지를 활용하여 향후 데이터센터가 요구하는 점진적인 전력 요구량에 대처할 능력을 기를 수 있습니다.