인피니언, 1MW 데이터센터 시대 겨냥한 전력 기술 공개

인공지능(AI) 연산 수요가 증가하면서 그래픽처리장치(GPU)의 전력 소비도 빠르게 늘고 있다. 최근 대규모언어모델(LLM)과 AI 연산에 사용되는 GPU 한 개의 전력 소비량은 기존 1000와트(W) 수준에서 2000W, 나아가 3000~4000W 이상으로 증가하는 추세다. 이에 따라 서버 여러 대가 모인 데이터센터 랙(Rack)당 전력 소비량도 현재 100~150킬로와트(kW) 수준에서 향후 최대 1메가와트(MW)에 이를 것으로 전망된다.

전력 소비량이 증가하면서 전원 공급 장치에서 GPU까지 전력을 전달하는 과정에서 발생하는 손실과 발열을 줄이는 것이 주요 과제로 떠올랐다. 제한된 공간에 높은 전력을 공급해야 하는 만큼 전력 공급 구조와 전력 밀도 개선이 시급해진 것이다.

아담 화이트(Adam White) 인피니언 파워 시스템 사업부 사장은 5일 서울 강남구 인피니언 테크놀로지스 코리아에서 열린 기자간담회에서 차세대 전력 공급 아키텍처를 발표했다. 이날 간담회는 전력망을 의미하는 계통부터 연산이 이뤄지는 코어까지 AI 데이터센터(AIDC) 전반에 적용되는 인피니언의 전력 기술을 소개하기 위해 마련됐다.

인피니언 테크놀로지스는 전력 밀도 개선 요구에 대응하기 위해 초슬림 수직 전력 공급 모듈 로드맵을 공개했다. 해당 모듈은 두께가 3밀리미터(mm) 미만으로, GPU 칩 뒷면에 가깝게 배치해 전력을 공급하는 방식이다. 좁은 공간에서도 높은 전류를 효율적으로 전달할 수 있도록 설계한 것이 특징이다.

인피니언은 2024년부터 2027년까지 1제곱밀리미터(mm²)당 전류 공급 역량을 1암페어(A)에서 2A로 높이고, 2028년에는 4A 이상으로 확대할 계획이다. 이를 통해 전력 소비가 증가하는 차세대 데이터센터에 필요한 전력 공급 기술 시장을 공략한다는 게 회사 측 전략이다.

화이트 사장이 강조한 ‘계통에서 코어까지’는 발전소에서 생산된 전력이 송전망을 거쳐 데이터센터에 공급되고, 최종적으로 GPU와 중앙처리장치(CPU) 등 반도체 칩에 전달되는 전체 과정을 의미한다. 인피니언은 에너지저장장치(ESS)와 반도체 변압기(SST) 등 데이터센터 인프라 전력 공급 기술부터 칩단에 전력을 전달하는 반도체 부품까지 폭넓은 제품군을 갖추고 있다는 점을 핵심 경쟁력으로 내세웠다.

화이트 사장은 “과거 10kW에서 30kW 수준이던 데이터센터 랙 전력이 이제는 600kW를 넘어서는 아키텍처로 나아가고 있다”며 GPU 연산 성능 향상에 따른 전력 수요 변화를 진단했다.

그는 데이터센터 전력 공급 구조의 변화를 세 단계로 구분했다. 현재 시장에 도입된 랙당 100~150kW 수준이 1세대라면, 3세대는 랙당 1MW 전력 공급을 목표로 한다. 이 사이 단계인 2세대에서는 랙당 500~700kW 수준의 전력을 공급하는 구조가 적용된다. 이를 위해 연산 및 네트워크를 담당하는 랙과 전력을 공급하는 별도의 랙(사이드카)을 물리적으로 분리하는 파티셔닝 구조를 채택한다. 나아가 랙당 1MW 이상의 전력을 공급하는 하이브리드 마이크로그리드를 구현하려면 기존 48볼트(V) 단상 전력 공급 환경에서 800V 직류(DC) 기반 인프라로 전환해야 한다고 화이트 사장은 덧붙였다. 이는 전압을 높이고 전류량을 낮춰 전력 전달 과정에서 발생하는 손실을 최소화하기 위해서다.

전원 공급 장치를 GPU 등 프로세서에 가깝게 배치할수록 전력 전달 과정의 손실을 줄일 수 있지만, 좁은 공간에 높은 전류가 집중되면서 발열 관리가 중요해진다. 특히 낮은 전압과 높은 전류가 흐르는 환경에서는 열을 안정적으로 관리할 수 있는 전력 반도체 기술이 필요하다.

화이트 사장은 “대규모 연산을 처리하는 GPU의 전력 소비량이 3000~4000W 수준까지 증가하면서 전력 손실을 줄이고 발열을 관리하는 것이 중요한 과제가 됐다”며 “전원 공급 장치를 프로세서에 가깝게 배치할수록 전류 밀도가 높아지기 때문에 적절한 솔루션을 적용하지 않으면 오히려 전력 손실이 커질 수 있다”고 설명했다. 이어 “전력 수요가 늘어날수록 고주파 스위칭 기술을 활용해 전압을 낮추고 전류를 높이는 방향으로 전력 공급 구조가 발전하고 있다”며 “이러한 환경에서 발생하는 열을 안정적으로 관리하려면 높은 신뢰성과 품질을 갖춘 기술이 필요하다”고 덧붙였다.

인피니언은 전력 공급 환경에 대응하기 위해 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 세 가지 전력 반도체 소재를 활용하고 있다. 실리콘은 비용 경쟁력이 높고, 탄화규소는 고출력·고온 환경에 적합하며, 질화갈륨은 고주파 스위칭에 유리하다. 특히 질화갈륨은 전력 변환 과정에서 스위칭 주파수를 높여 전력 모듈의 크기와 무게를 줄이는 데 활용된다.

인피니언은 최근 인수한 C2I의 디지털 제어 기술을 기존 소재 기술과 결합해 고주파 스위칭 성능을 높이고, 고밀도 전력 공급 아키텍처를 구현할 계획이다. 아울러 차세대 전력 모듈의 상용화를 위해 외부 기업과의 협력도 확대한다. 반도체 칩의 성능뿐 아니라 패키징 설계와 인덕터·커패시터 등 수동 부품의 기술력이 함께 뒷받침돼야 안정적인 전력 공급 모듈을 구현할 수 있기 때문이다. 인피니언은 한국을 비롯한 주요 국가의 첨단 패키징 기업들과 협력하고 있다고 밝혔다.

한편 인피니언은 국내 기업들과의 협력 사례도 공개했다. 먼저 전자부품 제조사 솔루엠과 전력공급장치(PSU), 중간버스변환기(IBC), 배터리백업시스템(BBU) 설계를 위한 업무협약(MOU)을 체결했다. 데이터센터 랙에 공급되는 전력을 변환하고, 컴퓨팅 부하가 급증할 때 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 백업 체계를 구축하기 위한 협력이라고 회사 측은 전했다.

전력 인프라 분야에서는 LS일렉트릭과 반도체 변압기(SST) 및 반도체 차단기(SSCB) 관련 협력을 추진한다. 인피니언에 따르면 기존 기계식 장비를 반도체 기반 장비로 대체해 전력 설비의 부피와 무게를 줄이는 것이 목표다. 기존 장비는 무게가 약 20톤에 달하는 만큼 반도체 기반 기술을 적용하면 설비 경량화와 에너지 효율 개선을 기대할 수 있다.

효성중공업과는 초고압직류송전(HVDC) 분야에서 협력해 전력망 단계의 전력 전송 효율을 높이는 데 주력한다.

화이트 사장은 “한국 기업들과 협력해 AI 인프라 확장에 참여하게 돼 기쁘다”며 “상호 협력할 수 있는 파트너들과 함께 여러 분야에서 제품 양산과 출하를 시작했다”고 말했다.

글. 바이라인네트워크
<김원민 기자>wmkim627@byline.network