[인사이트] AI 서버 전력 한계 극복: kt cloud가 주목하는 800V DC 데이터센터

 

 

[ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ]

📋 요약

이 글에서는 AI 서버의 전력 밀도 증가에 대응하기 위해 kt cloud가 주목하는
800V DC 데이터센터의 기술적 배경과 구현 과제에 대해 다룹니다.
차세대 배전 방식이 에너지 효율성 향상과 시스템 가용성 증대에 미치는
실질적인 영향과 향후 인프라 혁신 방향을 정리합니다.

 

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AC가 전력 시스템 표준이 된 이유

Image: AI-Generated Content

19세기 말 교류(Alternating Current, AC)와 직류(Direct Current, DC) 사이의 전력 계통 표준화 경쟁은 기술적 확장성과 경제적 효율성을 앞세운 AC 진영의 판정승으로 마감되었습니다. 판정승의 이유는 전력의 장거리 송전이라는 인프라적 한계를 극복함과 동시에, 산업 현장의 핵심 동력원인 유도전동기를 가장 안정적으로 구동할 수 있었던 압도적인 실용성에 있습니다. AC는 전압 변환이 용이해 고압 송전이 용이하므로 발전소에서 부하까지의 송전 손실을 최소화할 수 있으며, 유도 전동기를 별도의 변환 장치 없이 구동할 수 있다는 결정적인 장점을 제공했기 때문입니다.

구분	AC(Altenating Current)	DC(Direct Current)
파형
방향	전하의 흐름 방향이 주기적으로 바뀜	전하가 항상 일정한 한 방향으로만 흐름
임피던스	주파수에 비례하여 전류를 방해하는 리액턴스 성분 존재	저항만 존재하여 송전 손실이 적음
실효값	최대값의 70.7%	최대값과 같음
전압 및 전류	시간에 따라 사인파 형태로 전압과 전류가 변함	전압과 전류의 크기가 시간에 따라 변하지 않고 일정
발생 원리	자석의 회전(교류 발전기)을 통한 전자기 유도 현상	배터리의 화학 반응, 태양광 발전, 직류 발전
전압 변환	변압기(Transformer)를 통해 전압 변환 용이	변환이 복잡, 큰 비용
주요 용도	기존 송전 및 배전 방식, 유도전동기의 구동	IT 기기, 배터리 시스템, 차세대 송전 및 배전 방식

교류 및 직류의 특성 비교(자료: STARTPAC)

 

최근에는 전력 변환 기술의 발전으로 과거 대비 DC의 변환이 용이해져 장거리 송전망에 대해서 HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류송전) 기술이 적용되고 있습니다. HVDC는 발전소에서 생산된 AC 전력을 DC로 변환해 송전한 뒤, 전력을 받는 지점에서 다시 AC로 변환하여 공급하는 방식입니다. DC는 전압과 전류의 변화에 의해 발생하는 리액턴스 성분이 없기 때문에 AC에 비해 손실이 적습니다. 그리고 동일 전력을 전송할 때 DC 전압은 AC 전압 최대치의 약 70% 수준으로 송전이 가능하므로, 절연 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 차세대 송전 방식으로 각광받고 있습니다.

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차세대 데이터센터 배전 방식으로 주목받는 800V DC

NVIDIA 800V HVDC 아키텍처(자료: NVIDIA)

인공지능(AI) 기술의 확산으로 방대한 양의 데이터 학습 및 추론이 가속화됨에 따라, 2027년 NVIDIA AI 가속기 랙의 전력 밀도는 1MW를 상회할 것으로 전망됩니다. 현재의 표준적인 AC 배전 방식에서는 다수의 PSU(Power Supply Unit)를 통해 54VDC 전원을 GPU 서버와 네트워크 스위치에 공급하지만, 향후 전력 밀도가 증가하는 환경에서는 명확한 한계가 존재합니다.

 

최신 NVIDIA GB200 NVL72 시스템에서는 PSU 점유 공간이 최대 64U에 달해 공간 효율이 크게 저하되며, 낮은 전압(54VDC)으로 전력을 공급하기 위해서는 큰 전류를 필요로 하기 때문에 많은 양의 구리가 소요되어 데이터센터 구축 비용이 증가합니다. 이러한 병목 현상을 해결하기 위해 NVIDIA에서 제시하는 모델이 800V DC 배전 방식입니다.

DC 배전 기술을 통한 데이터센터 효율 개선

교류 및 직류 데이터센터 운영 에너지 효율 비교(자료:LBNL)

기존 AC 배전 시스템은 전력망으로부터 IT 장비에 도달하기까지 ‘AC → DC → AC → DC’의 복잡한 변환 과정을 거칩니다. 각 변환 단계마다 약 5~15%의 에너지 손실이 발생하기 때문에 Lawrence Berkeley National Laboratory의 연구에 따르면, DC 배전 방식을 적용할 경우 변환 단계를 획기적으로 줄여 AC 방식 대비 약 24%의 에너지 효율 개선을 달성할 수 있습니다. 데이터센터에서 IT장비 다음으로 많은 전력을 소비하는 것은 냉각 시스템인데, DC 전력 시스템은 AC 시스템보다 필요한 변환이 적고 전체 효율이 높아 데이터센터 전반의 발열량을 억제하여 냉각에 소요되는 전력도 절감할 수 있습니다.

신뢰성 및 가용성 증대

DC 전력 시스템은 AC 시스템보다 변환 등 구성요소가 적어 평균 고장 간격(Mean Time Between Failures, MTBF)이 길고 시스템의 가용성을 개선할 수 있습니다. 기존 AC 배전 방식은 많은 변환 과정에서 전압 유지와 주파수 제어를 위해 인버터 및 위상 동기화 장치가 사용되며 이는 잠재적인 고장 지점이 증가하는 것을 의미합니다. DC 배전 방식은 변환 과정이 감소하기 때문에 설비 구성의 복잡도를 낮춤으로써 장애 발생 가능성을 원천적으로 감소시켜 시스템의 가용성을 증가시킬 수 있습니다.

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800V DC 데이터센터 구현을 위한 과제

표준화 및 산업 생태계 구축

800V DC를 표준화된 전압으로 정착시키기 위해서는 산업 생태계의 협력이 필수적입니다. NVIDIA를 중심으로 전력용 반도체, 서버용 PSU, 커넥터, 버스바(Busbar), 냉각 장치 등 관련 부품 제조사들이 800V 규격에 맞춘 제품을 양산할 수 있는 인프라를 갖추기 위한 노력이 이루어지고 있습니다.

고전압 DC 차단 기술 및 안전 설계

DC 계통 단락 고장 발생(t=t0) 이후 차단기 동작 특성(자료: ABB)

DC는 AC와 달리 전류 영점이 존재하지 않아 사고 시 발생하는 아크 소멸이 매우 어렵습니다. 특히 800V DC 고전압 환경에서는 아크 전압을 계통 전압보다 높게 유도하기 위해 자기 폭발 및 다중 폴 직렬 연결 기술이 적용된 DC 전용 차단기가 필요합니다. 또한 차단 시 발생하는 서지 전압으로부터 IT 부하를 보호하는 기술적 대책이 병행되어야 합니다.

고효율 전력 변환 기술 구현

.주요 반도체 소자별 특성 비교(자료: TERADYNE)

메인 전력망에서 공급되는 800V DC를 서버 내부의 반도체에서 사용되는 저전압으로 변환하는 과정에서 효율 손실을 최소화해야 합니다. 이를 위해 GaN(질화갈륨)이나 SiC(탄화규소)와 같은 Si(실리콘) 반도체 대비 밴드갭이 큰 반도체를 활용한 고성능 전력 변환 소자의 개발 및 적용이 확대되고 있습니다.

접지 및 절연 모니터링 체계

Insulation Monitoring Device(자료: DOLD)

고전압 DC 배전 시스템에서는 전류의 단방향성으로 인해 절연 저하 시 부식(Corrosion)에 의한 구조물 손상과 누설 전류에 따른 감전 사고 위험이 높습니다. 따라서 최적의 접지 방식 도입을 검토하고, 실시간 절연 저항을 감시할 수 있는 고도화된 절연 감시 장치(IMD)를 통해 시스템의 신뢰성과 운영 안전성을 확보해야 합니다.

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kt cloud AI Innovation Center

AI 확산에 따른 데이터센터 전력 밀도의 급격한 증가로 기존 AC 배전 방식이 한계에 직면함에 따라, 에너지 효율 혁신과 시스템 신뢰성 확보를 위한 800V DC 배전 방식이 차세대 데이터센터의 표준으로 부상하고 있습니다.

 

DC 배전은 변환 단계 축소를 통해 전력 손실을 획기적으로 줄이고 데이터센터 가용성을 높일 수 있는 이점이 있지만, 이를 실제 인프라에 안착시키기 위해서는 산업 전반의 협력을 통해 전력 변환 효율 개선, 고전압 아크 차단 기술, DC 최적화 모니터링 체계 구축과 같은 기술적 과제도 남아 있습니다.

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. DC 전력 시스템의 고장 발생 시 아크 전류 제거가 어려운 이유?

A. 전류의 방향과 크기가 주기적으로 변하는 AC(교류)는 초당 120번 전류 영점(Zero Crossing)을 지납니다. 이때 아크 에너지가 일시적으로 소멸하며 주위 공기가 냉각될 기회를 얻어 자연스러운 소호(Arc Quenching)가 가능합니다. 반면, DC(직류)는 일정한 방향과 크기로 전류가 지속 공급되므로 에너지 공백이 전혀 발생하지 않습니다. 이 때문에 한 번 발생한 아크가 플라즈마 상태를 유지하며 끊어지지 않고 이어지려는 성질이 매우 강해, 물리적으로 아크를 강제 연장하거나 냉각시키는 고도의 차단 기술이 필수적입니다.

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📚 관련/출처

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