[기고] AI 데이터센터 전력 공급 방안.. 48V 통합 핫 스왑(eFuse)

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글_ 크시티즈 카트리(Kshitiz Khatri), 텍사스인스트루먼트(Texas Instruments)

고성능 컴퓨팅과 인공지능이 계속 성장함에 따라 데이터센터에는 최신 중앙 처리 장치, GPU(그래픽 처리 장치) 및 하드웨어 가속기를 지원하기 위해 전력 밀도가 높고 효율적인 솔루션이 필요하다. 처리 수요를 감당하기 위해 전력 밀도를 높이고 48V 전력 아키텍처로 전환해야 할 필요성으로 인해 새로운 과제가 발생한다. 특히 안정성, 효율성 및 확장성을 유지하면서 6kW 이상의 전력 레벨을 관리해야 한다.

전력 요구 사항이 증가하면 솔루션 크기가 커지고, 설계가 복잡해지며, 장애 감지 및 보호의 비효율성이 높아지는 경우가 많다. 또한 안전한 작동과 최소한의 전력 손실을 보장하면서 높은 전류를 관리하는 것도 중요한 문제이다. FET(개별 전계 효과 트랜지스터)와 결합된 기존의 핫 스왑 컨트롤러는 고전력 애플리케이션에서 상당한 한계에 직면하게 된다.

이러한 과제를 해결하기 위해 전원 경로 보호를 지원하는 TI의 48V 핫 스왑 eFuse 장치는 데이터 센터 애플리케이션을 위한 안정적이고 컴팩트한 솔루션으로 설계된다. 전류 모니터링을 위해 외부 감지 저항기와 전류 감지 증폭기가 필요한 접근 방식과 달리, TPS1689 및 TPS1685는 두 기능이 통합되어 설계가 간단하고 솔루션 크기가 50%까지 줄어들었기 때문에 높은 전력 수준을 지원할 수 있는 원활한 확장성을 구현할 수 있다.

TPS1689의 차별화된 기능으로는 블랭킹 타이머가 있으며, 시스템이 피크 부하 전류와 실제 오류 상태를 구분할 수 있도록 하여 잘못된 트립을 방지한다. 이 기능은 시스템 안정성을 향상하고 불필요한 셧다운을 방지한다. 전류 처리량을 높이기 위한 스태킹 기능도 지원하므로 고전력 애플리케이션에서 여러 장치를 함께 사용할 수 있다.

오류 로깅을 위한 통합 블랙박스, 보장된 FET 안전 작동 영역, 능동 전류 공유 및 상태 모니터링으로 시스템 복원력을 더욱 강화한다. 업계 표준의 공통 풋프린트로 제공되는 TPS1689는 안정적인 작동을 보장하는 전원 관리 솔루션을 제공한다.

서버 보호 및 성능 향상

블랭킹 타이머는 시스템 보호와 성능 최적화 사이의 균형을 유지하여 엔터프라이즈 서버 시스템에서 이점을 제공한다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 이 기능을 사용하면 회로 차단기를 트리거하지 않고도 단기간의 과도 과부하의 패스스루가 가능하므로 AI, GPU 및 프로세서 집약적인 애플리케이션에서 흔히 발생하는 일시적인 고진폭 부하 펄스가 시스템을 중단시키지 않는다. 그러나 eFuse는 과전류가 지속되는 경우 즉시 회로를 차단한다.

그 밖의 장점은 다음과 같다:

• 비용 최적화. 블랭킹 타이머는 특대형 PSU(전원 공급 장치)의 필요성을 최소화하고 병렬 구성에 필요한 eFuse의 수를 줄인다. 따라서 안정적인 작동을 유지하면서 자재 명세서 비용을 크게 절감할 수 있다.
• 전력 밀도 개선. 고전류 운반 부품의 수와 크기를 줄임으로써 시스템을 더 컴팩트하게 설계하여 귀중한 PCB(인쇄 회로 보드) 공간을 확보하고 열 관리를 개선할 수 있다.
• 유연성 및 사용자 지정. 설계자는 프로그래밍 가능한 오류 간격으로 특정 과도 프로파일에 맞게 시스템 응답을 미세 조정하여 고유한 워크로드에 맞게 성능을 최적화할 수 있다.

최대 과도 부하(일반적으로 1.7배)를 고려하지 않고 과전류 보호 임계값을 열 설계 전류의 1.1배로 설정할 수 있다. 이 접근 방식을 이용하면 PSU가 피크 과도 전류를 지원해야 하는 기존 설계에 비해 PSU의 크기와 비용이 줄어든다. 이러한 이점으로 인해 블랭킹 타이머는 고성능 서버 시스템의 핵심 기능으로 자리잡게 된다.

고급 스태킹 및 전류 공유 솔루션

AI 기반 프로세서와 서버의 전력 수요가 증가함에 따라 효율적인 전력 분배 시스템이 필요하며, 스마트 eFuse가 중요한 역할을 한다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 기존의 병렬 작동 방식은 드레인-소스 온 저항(R_DS(on)), PCB 트레이스 저항 및 비교기 임계값의 불일치로 인해 상당한 문제를 야기한다. 이러한 불일치로 인해 eFuse 간에 전류 공유가 고르지 않게 되고(일부 eFuse가 다른 eFuse보다 더 많은 전류를 운반함), 전체 시스템 전류가 트립 임계값 미만인 경우에도 개별 eFuse가 조기 트립되는 경우가 종종 발생한다. 잘못된 트립은 불필요한 시스템 다운타임, 안정성 저하, 운영 비효율성 증가로 이어질 수 있다.

이러한 과제를 해결하기 위해 TI는 상호 연결된 IMON 핀을 활용하는 전체 시스템 전류 제한 접근 방식을 eFuse에 도입했다. 이 접근 방식에서는 eFuse 하나를 전체 시스템 전류를 모니터링하는 기본 컨트롤러로 지정한다. 개별 eFuse 전류가 아닌 총 전류에 의존하면 경로 저항 불일치로 인한 부정확성을 방지하고 필요한 경우에만 시스템이 작동하도록 하여 작동 안정성을 향상할 수 있다.

능동 전류 공유 기술은 FET의 R_DS(on)를 동적으로 조정하고 eFuse 간에 균형 잡힌 전류 공유를 달성하여 효율적인 전력 분배를 돕는다. 하나의 eFuse가 불균형하게 높은 전류를 전달하는 경우 R_DS(on)를 높이면 모든 장치에 전류가 약간 더 균등하게 재분배된다. 이렇게 동적으로 조절하면 개별 eFuse의 열 응력을 최소화하여 장기간에 걸쳐 시스템 안정성이 향상된다.

과전류 보호 임계값 근처에서 능동 전류 공유가 발생하도록 하면 더 낮은 전류에서 불필요한 전력 손실을 피하기 위해 필요할 때만 임계값이 작동한다. 시스템은 최적의 임계값에서 능동 전류 공유를 활성화하여 고전류 작동 중에 균일한 열 응력 분배를 달성하여 장기적인 안정성을 개선한다.

효율적이고 안정적인 전원 관리

핫 스왑 eFuse 장치는 전력 밀도 증가, 설계 간소화, 보호 기능 향상, 비용 최적화를 이용하여 고성능 컴퓨팅 애플리케이션의 전원을 더욱 효율적이고 안정적으로 관리한다. 블랭킹 타이머 및 스태킹과 같은 기능이 통합되어 최신 AI 데이터 센터의 증가하는 전력 수요를 지원하기 위한 장치의 적합성이 더욱 강화된다.

제공. TI 코리아 (ti.com/kr)