By Peter Oaklander Intersil Corporation, 전자엔지니어 2010년08월02일
Lawrence Berkeley National Laboratory의 2009년도 보고서에 따르면, 데이터 센터의 전기 소모량은 이제 미국 내 총 에너지 사용량의 2.5퍼센트 가까이에 이른다고 한다. 모바일 인터넷과 클라우드 컴퓨팅 그리고 기타 기술 동향이 성숙해감에 따라 이러한 수치는 계속해서 급속한 증가를 보일 것이다. 2009 VMWare Corporation 보고서에 따르면, 2009년 현재 데이터 센터의 에너지 소모량은 연간 12퍼센트 정도의 상승세를 보이고 있다고 한다. 미국 내의 총 전력비용만 해도 이제는 연간 34억 달러 가까이에 이른다. 그 결과, 전력소모를 줄이고 용량을 관리하며 환경에 대한 책임을 고무시키려는 전략들이 매우 중요한 목표가 되었다.
이러한 전략들은 데이터 센터의 서버 수가 매년 10퍼센트 정도씩 증가함에 따라 매우 중요해졌다고 2009 McKinsey and Company 보고서는 밝히고 있다. 새로운 세대의 서버들은 복잡하고 전력소모도 클 가능성이 높다. 예를 들어, 전형적인 서버 내의 DC/DC 레귤레이터 수는 엄청나서 CPU Vcore에 5위상 또는 6위상 레귤레이터들이 사용된다. 전체적으로 이들은 1V에서 최대 150A의 피크 전류를 제공하는데, 이는 CPU당 150와트에 해당한다. 게다가 메모리 레일은 추가로 25~120 와트의 전력을 소모할 수 있다. 다른 레일의 전력소모는 다소 덜해서 개당 수백 밀리와트에서 5와트 정도이다. 그러나 총 소모전력은 급속히 증가하고 있다.
기업 및 IP 서비스 제공업체들로부터 무선 기지국 네트워크 컨트롤러나 라우터와 같은 임베디드 어플리케이션들에 이르는 서버의 융성은 새롭고 고효율의 전력관리 기법들을 요구한다. 그 솔루션 가운데 하나가 데이터 센터에 있는 여분의 서버들의 전력을 끄는 것으로서, 이는 절전을 통해 즉각적인 에너지 비용 절감을 가져올 수 있다. 시스템을 적게 사용할수록 당연히 전력소모와 운영비는 줄어든다. 활용도가 적은 엔트리 레벨 서버가 본래 갖는 작업부하는 50와트의 에너지를 소모하여 연간 600 달러 정도의 비용이 든다. 반면에 16개의 가상머신들을 돌리는 서버의 가상머신 작업부하는 그 몇분의 일인 5와트 밖에 소모하지 않아 비용이 연간 45 달러 정도에 불과하다.
서버의 가상화가 도움이 될 수 있는 것은 로딩이 줄어듦에 따라 하드웨어의 사용이 줄어들기 때문이다. 전력소모를 줄이는 또 다른 방법은 AC/DC 변환에서 POL(Point of Load)에 이르는 전력망의 경부하 효율을 높이는 것이다. 이와 유사하게, 전형적인 개인용 컴퓨터는 대부분의 시간을 비교적 낮은 전력으로 동작한다. 가상화 소프트웨어는 효율을 개선시켜 주는데, 각각의 서버가 최고의 MIPS 속도로 동작하도록 함으로써 서버 팜의 활용도를 극대화한다.
효율은 Intersil사와 같은 업체들이 개발 및 향상시키고 있는 디지털 코어 컨트롤러의 구현을 통해서도 개선할 수 있다. 이런 종류의 전력관리 기술은 모바일 및 컴퓨팅 어플리케이션용으로 개발되고 있다.
경부하 효율의 개선에 대해 고려해 보자. 이 경우, CPU 코어 레귤레이터는 최대 부하(100 암페어가 넘을 수 있다)에서 경부하(1 암페어 정도)에 이르기까지 90퍼센트 이상의 효율을 달성할 수 있다. 데이터 센터에서 이런 종류의 높은 전력 부하는 서버의 코어 CPU와 고밀도 메모리는 물론 네트워크 데이터 트래픽을 다루는 커스텀 ASIC에도 존재한다.
전력소모의 제어를 돕기 위해 Intersil사와 같은 업체들에서는 서버의 DC/DC 효율을 개선하기 위한 새로운 다위상 및 POL 아키텍처들을 개발하고 있다. Intersil사의 VR12 6위상 레귤레이터와 같은 다위상 레귤레이터들은 자동 위상 탈락과 같은 새로 개발된 알고리즘들을 이용하여 특히 경부하 조건에서의 효율을 개선하도록 설계되었다. 다이오드 에뮬레이션 모드 및 스레숄드 상의 게이트 전압은 10퍼센트 부하 조건에서 효율을 20퍼센트까지 개선할 수 있으며, 활용도가 떨어질수록 효율은 더 높아진다. 효율은 수 암페어에서 거의 100 암페어에 이르기까지 두 자리 수 이상으로 유지할 수 있다.
보다 적은 손실로 보다 높은 스위칭 주파수를 가능케 해주는 DrMOS와 같은 새롭고 통합된 전력단들도 있는데, 이는 Ron 수치와 기생-FET 캐패시턴스가 보다 낮기 때문이다. 다른 레일의 경우에는 보다 새로운 레귤레이터들이 포터블 시스템의 기법을 차용하여 다른 효율개선 수단을 제공하고 있는데, 여기에는 PWM으로부터 PFM으로의 전환과 보다 높은 스위칭 속도와 밀도를 위한 FET의 통합이 포함된다.
고출력 CPU와 메모리 및 ASIC 파워 레일들은 물론 FPGA, 보조 아날로그, I/O 및 대기 회로들을 위한 다른 레일들의 급증을 고려할 때, 이러한 아키텍처들의 총체적인 이점은 상당히 클 수 있다.
효율을 개선하는 또 다른 힘은 전력망에 지능을 추가하는 것이다. 디지털 전력관리 기술은 가상화와 함께 CPU 활동을 데이터 센터 서버의 일부분으로 집중시킴으로써 다수의 유휴 서버들을 손쉽게 저전력 상태로 만들 수 있다. 디지털 전력은 또한 과전압/전류 및 온도와 같은 진단 기능들을 이용해 입력 및 부하 전류, 전압 그리고 전력을 모니터링할 수 있도록 해준다.
이는 데이터 센터 시스템 컨트롤러가 효율을 모니터링하고 실시간 상태를 토대로 조정할 수 있도록 해준다. Zilker Labs ZL2106과 같은 디지털 전력관리 IC들은 변환을 상이한 부하 상황들에 적응시켜 주고 정보를 다시 호스트에 알려주는 첨단 알고리즘들을 제공한다. 디지털 파워 컨버터들은 전력의 고성능 변환과 관리가 극히 중요한 통신 인프라 시스템에 사용되고 있다.
이런 종류의 제품과 기술 능력 덕분에 데이터 센터 및 서버 수가 계속해서 늘어나도 데이터 센터의 에너지 소모를 줄이고 전력사용을 최적화 하는 문제에 부응할 수 있는 것이다.
