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Nikkei X-TECH_2024.4.16

AI 반도체의 전원은 '수직 급전'으로
배선 단축 및 질화갈륨의 이용으로 전력 손실 저감

데이터센터에서 AI(인공지능)의 학습·추론에 이용되는 반도체(AI 반도체)의 성능 향상에 수반해 전원도 진화하려 하고 있다. 저소비전력화에 대한 요구에 대응할 수 있도록 신기술을 이용해 전원을 기존보다 저손실 및 소형화하는 연구개발이 추진되고 있다. 현행의 실리콘보다 고효율인 질화갈륨(GaN)을 이용하는 움직임도 나왔다.

‘전력 공급을 수평에서 수직으로’. 이것이 데이터센터용 CPU 및 GPU(화상처리반도체) 전원 아키텍처의 조류이다. 지금까지 AI 반도체 주위에 배치되어온 전원 혹은 그 일부를 AI 반도체의 뒷면에 배치하는 것이다. 프린트기판(보드)을 통해 전력을 수직방향으로 공급하기 때문에 VPD(수직전력공급)형으로 불린다. 이를 통해 전원 배선이 짧아지고 그만큼 저항 성분이 줄어 전력 손실을 저감할 수 있다.

-- 1,000A를 넘으면 VPD형으로 전환 --
VPD형이 요구되는 배경에는 AI 반도체의 소비전력 증대가 있다. 그 한 예로, 엔비디아의 GPU를 보면 알기 쉽다. 2020년에 릴리스된 ‘A100’은 최대 열설계 전력(TDP)이 500W였던 것에 반해, 2022년에 릴리스된 ‘H100’은 700W, 최신의 ‘Blackwell’ 아키텍처를 채택한 GPU는 1,200W에 달했다.

AI 반도체의 구동 전압에 큰 변화가 없기 때문에 전류를 늘려 공급 전력을 확대하면 전원 배선의 저항 성분으로 인해 발생하는 전력 손실이 심각해진다. 이 손실을 줄이기 위해 VPD형에 대한 수요가 앞으로 높아질 전망이다. 구체적으로는, TDP가 1,000A 이상이면 VPD형으로 전환될 것이라고 AI 반도체 대기업이나 전원용 반도체 업체 등은 전망하고 있다. 2024년은 그 전환점이며, 앞으로 VPD형이 늘어날 것이라고 한다.

이러한 상황을 예상해 올 2월에 미국 캘리포니아 주 롱비치에서 개최된 파워반도체의 연례 이벤트 ‘APEC 2024’에서는 VPD형에 관련된 제품과 기술 제안 등이 잇따랐다.

-- 전압 레귤레이터를 뒷면에 배치 --
AI 반도체 대기업과 전원용 반도체 업체의 이야기를 종합해보면, 우선은 전원의 일부를 AI 반도체의 뒷면 바로 밑에 배치한다. 구체적으로는, AI 반도체의 구동전압을 만드는 전압조절기(VR)를 AI 반도체가 장착된 보드 뒷면에 배치하는 것이다. VR은 출력 전압을 일정하게 유지하는 DC-DC 컨버터를 가리킨다.

현재 AI 반도체의 전원은 2 단계(스테이지) 구성으로 되어 있다. 제1 스테이지에서는 서버 전원 측으로부터 입력되는 48V의 전력을 중간버스컨버터(IBC)에서 일단 12V로 강압한다. 제2 스테이지에서는 이 12 V를 멀티페이즈(다상) VR를 통해 AI 반도체의 구동 전압에 해당하는 1 V 정도로 내린다.

VPD형의 경우, IBC에서는 12V가 아니라 5V 전후로 강압한다. 이것을 AI 반도체의 뒷면에 있는 VR로 1V 전후로 한다.

APEC 2024에서는 미국의 Analog Device가 VPD형용 VR 개발품을 선보였다. 예를 들어, 5V 입력에 대해 0.75V를 출력할 수 있다. 피크 전류는 800A, 출력은 600W이다. 멀티페이즈에 대응하기 위해 복수의 VR과 IBC를 일체화한 모듈 제품이다. 모듈 사이즈는 44.5×22×4.68mm로 작다.

-- 질화갈륨으로 고효율 유지 --
VPD형의 차세대 기술에 대한 연구개발도 추진되고 있다. 주목 받고 있는 기술은 크게 두 가지이다. 하나는 ‘1스테이지 방식’. 뒷면에 배치한 VR에서 48V의 입력 전압을 직접 1V로 강압하여 출력하는 기술이다.

이 기술은 미국 캘리포니아대학 버클리교(UCB)의 BPEC(Berkeley Power and Energy Center) 그룹이 적극적으로 연구 개발을 추진하고 있다. 이번 APEC에서BPEC 그룹은 엔비디아와의 공동 개발품을 발표했다. 소형의 높은 전력 밀도를 가진 제품으로, 효율이 85% 전후의 경우, 1입방 인치당 1,300W 정도였다. 이 기술에 대한 자세한 내용은 10월에 개최되는 파워 일렉트로닉스 관련 국제 학회 ‘ECCE 2024’에서 발표할 예정이다.

질화갈륨을 이용해 실리콘 제품보다 소형화하고 전력 밀도를 높인 시제품도 선보였다. 효율이 87% 전후인 경우, 1입방 인치당 2,000W가 넘었다.

또 하나 주목해야 할 것은 AI 반도체 내부에 설치되는 통합 전압 레귤레이터(IVR)를 이용하는 기술이다. 뒷면의 IBC에서 48V에서 5V로 내리고, IVR에서 5V로부터 AI 반도체의 구동 전압을 만드는 기술이다. 이때, 고부하에서도 고효율을 유지할 수 있도록 IVR에 질화갈륨 파워소자를 이용하기 때문에 ‘질화갈륨 IVR 방식’이라고 불린다. 2029년경에 실용화될 것으로 전망된다.

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