데이터센터를위한 AC vs DC 전원분배 글 : Neil Rasmussen 백서 #63
개요 데이터센터에서 DC 전원분배는 AC 전원분배의대안으로제안되었다. 하지만잘못된정보와대립되는주장으로인해논란이계속되고있으며세부적인분석과모델을통해일반적으로진술된 DC 분배의이점들은확인되지않았거나과장되어있음을알수있다. 이백서에서는고효율의 AC 가데이터센터의전력분배에있어서왜가장확실한선택인지에대한이유를설명하고있다.
서론 데이터센터혹은네트워크룸의 IT 장비전력은 AC 혹은 DC 전원을사용하고있다. AC 전원은전형적으로 120V, 208V, 230V 의주전압을근거리에분배하고, DC 전원은전형적으로 48V 의표준전압을텔레커뮤니케이션 ( 원거리통신 ) 에분배한다. 대부분의설치는 AC 분배를사용한다. 그러나 1990 년대초, 이따금많은제조업자와엔지니어들은 DC 전원분배로의변화를제안해왔다. 그리고데이터센터를위해표준 DC 전원이일반적으로채택될것이라고예견했다. 그러나사실상 AC 전원이사용되고있으며 AC 에비해 DC 의사용은감소하고있다. 최근새로운개념의제안은 DC 전력에관한초기몇몇문제점을극복하기위하여 48V 이상전압에서의 DC 배전을기반으로하여만들어지고있다. 300, 380, 400, 575 의 DC 분배전압은다양한포럼에서제안되어왔다. 이백서에서는, AC 와 DC 사용의특성, 특징그리고각각의한계점에대해서설명하고있다. 그리고각기다른 2 가지의 AC 분배시스템과 3 가지 DC 분배의비교를통해시스템작동방식에따른전기적효율성을확인할수있다. 다양한 AC, DC 배전방식 AC 와 DC 의전원분배를비교하기위해 5 가지의전력분배설계에있어서각기다른효율성, 비용, 한계등에대해논의할필요가있다. 기본적인다섯가지의전원분배접근방식을그림 1a ~ e 에서보여주고있다. 그림 1-a : 북미의일반 AC 전원분배 그림 1-a 는북미의일반적인 AC 전원분배시스템을나타낸다. 전원은 IT 장비로공급되기전에 UPS 와변압기기반의 PDU 를거친다. 이과정에서발생된다섯가지의주요한손실이있다 : UPS 손실, 1 차분전배선연결, PDU 손실, 분기회로분전배선연결, 그리고 IT 전력공급.
그림 1-b : 북미이외의일반 AC 전원분배 그림 1-b 는북미이외의지역에서사용되는일반적인 AC 분배시스템을나타낸다. 이경우 PDU 변압기와연관된손실에대한내용은고려하지않기로한다. 이것은 UPS 의출력전압이거의모든 IT 부하의입력전압범위와직접적으로호환되기때문이다. 그림 1-c : 전형적인통신 DC 분배 그림 1-c 는전형적인통신 DC 전원분배를나타낸다. DC UPS 는 DC 전원의 IT 부하에배전을위한 48V 의 DC 전압을공급한다. 그림 1-d : DC 380V 분배를위한가상접근 그림 1-d 는 DC 380V 분배를위한가상의접근법을나타낸다. DC 380V 로동작하기위해설계된 IT 장비는이러한접근방식으로작동하기위해존재할필요가있다.
그림 1-e : 가상의혼성 DC 575V 전원분배 그림 1-e 는가상의혼성 DC 575V 방식을나타낸다. 이시스템은 DC 48V 로작동하기위해설계된 IT 장비를이용한다. 하지만 DC 575V UPS 와 575V 에서 48V 로단계적으로감소하는컨버터를사용한다. 그것은그림 1- c 와 1-d 의몇몇특성을결합한다. 그림 1 의다섯가지분배방식을비교할때다음의고려사항을포함해야한다. 효율성 비용 호환성 신빙성 ( 확실성 ) 안정성 이러한요인들은다음단락에서논의될것이다. 그검토는효율성의세부적인분석에서시작된다. 왜냐하면그것이일반적으로 DC 전원분배가고려되는핵심적인이유이기때문이다. 효율성비교 데이터센터에서 DC 전원사용에대한주요한논쟁은그것이전기적인효율성을향상시키느냐는것이다. 이것은전력변환의몇몇단계가무시되어감소된손실의결과로나타나지않는다는논리를기반으로한다. 전력시스템의손실은다음장소에서발생한다 : 무정전전원의발생, 전원분배, IT 장비에의한전력의사용. 가장대표적으로논의되는 AC 와 DC 분배의효율성비교는이백서를통해 DC 전원분배의결점이있다는것을증명하고다른분배방식의장점에관해잘못알려진결론을설명할것이다. 실제적인전기적효율성에관한정확한평가를할때부하에따른장비의효율성과규모문제를정확하게이해하는것은매우중요하다. 그러한모델은효율성의양적인결과와함께다음단락에서기술된다.
효율성모델결과 각각전력분배시스템에서, 전원경로의각부문에대한 50% 부하시의손실은가장유효한데이터로부터확인할수있다. 표 1 에데이터결과가나타나있다. 위표에나타난데이터는각기다른분배시스템사이의중요한차이를보여준다. DC 380V 방식은가장높은효율을나타내고혼성 DC 575V 방식은가장낮은효율을나타낸다. 가장흥미로운데이터는 DC 380V 방식과거의유사한효율을나타내는 AC 400/230V 방식이다. 다양한방식의효율은리던던시이중화전원경로의시스템에서도구성이가능하다. 그럴경우모든방식의효율은낮아질것이다. 그러나각방식의상대적인효율은차이가없고 AC 400/230V 와 DC 380V 가가장우수한효율성을나타냄을알수있다. 특정에너지절약분석검토 DC 시스템의우수한효율성을주장하는대부분의백서는기본적인계산과수치를가진세부적인모델을나타내지않은반면, Lawrence Berkeley National Laboratory 는 LBL.gov 웹사이트를통해확인할수있는 AC vs DC 배전모델을발표했다. 2004 년 10 월 4 일참고모델로발표된 DC 48V 방식은 AC 시스템과비교하여전력소비량이대략 30% 감소되며 1 년동안서버당 86 달러정도의전기적절약이가능하다고평가했다.
그러나다음비교의결과는 UPS 를통한효율이 85%, 그리고 AC/DC 전원공급서버의효율은 72% 라는가정아래계산된결과이다. 이것은오늘날이런장치에서쉽게얻을수있는매우낮은효율이다. 예를들어, 효율이 96% 일때는 UPS 를사용했을경우이고 90% 의효율은전원공급에관한것이다. 이러한방법으로계산한다면 DC 의이점은 0 이다. 일찍발표된바에의하면 APC Symmetra MW 와같은현대적인 UPS 의증명된효율은대부분의작동범위에서 96% 이상을나타낸다. 반면전력공급을위한 90% 의효율은최고성능의전류를나타내며그것은새로운서버에있어서일반적인사실이다. 그리고우리는 1 년이내에운송되고있는 94% 의효율적인전원공급을기대한다. DC 의우수성을주장했던이모델은 AC 의성능을실현하기위한전류실제가치가그모델에서입력으로사용되었을때이점이전혀없는 DC 라는것을보여준다. AC 400/230V 배전 이백서를통해 AC 400/230V 배전의효율성에대한이점을분명하게보여준다. 그렇지만이방법은아직연구보고서나논문에서일반적으로기술되어있지않다. 북미시장외에서이방식은표준데이터센터설계구조이기때문에기발하거나새롭지는않다. 이백서의분석은북미표준데이터센터에서사용되는 PDU 가공간과부하측면에서비효율적인소스라는것을분명하게보여준다. 리던던트이중화구성시스템에서의문제점은두배로복잡하다. PDU 는전형적으로그들의정격전원에서동작하지않으며감소된효율성을나타낸다. 게다가그것들은전형적으로정격시스템부하와비교했을때과용량설계되었다. 그러므로북미시장에서 PDU 를제거할수있는시스템은중요한장점을갖는다. 현대적인데이터센터에서 PDU 가불필요하고제거할수있다는사실을이해하는것은매우중요하다. 고효율의데이터센터를위한어떠한시도도 AC 400/230V 배전방식을사용해야함을분명히보여준다. DC 380V 배전 효율성에관한결과를통해 DC 380V 배전방식이 DC 48V 또는혼성 DC 575V 방식과비교했을때직류분야에서가장높은효율성을제공함을분명히확인할수있다. 이러한효율성능은 DC380V 방식이제안되는핵심이유이다. 현실적으로 100% 부하의 DC 380V 는최고성능의 AC 방식보다대략 1% 이상의장점을갖는다고가정할수있다.
대부분의설치를통해, 이러한수치는공조와같이무효화할수있는손실들과비교했을때효율측면에서극히작은부분임을알수있다. 그러나큰규모의데이터센터에서이것은꽤많은전기적절약으로나타날수있다. 그리고 DC 380V 배전방식은다른방식들과비교하여구리를절약할수있다. 전압을정밀하게지정함에따라, 구리비용의 10% 정도를절약할수있다. AC 400/230V 는 50- 앰프배선을사용하고, 4 선배전을통해전선당 8.625kW 에해당하는 150A 또는 34.5kW 를제공한다. 380 bus 와 50- 앰프배선을사용하는 DC 380V 방식은 2 선배전을통해전선당 9.5kW 에해당하는 50A 또는 19kW 를제공한다. 이러한계산은어떠한전선의크기에도적용이되며 DC 380V 배전을통해대략 10% 정도의구리감소를가져온다. DC 380V 는 AC 400/230V 와비교했을때작지만중요한효율측면의장점을갖고있다. 그러나실질적으로모든 IT 장비가 AC 400/230V 배전과호환가능한반면 DC 380V 는그러지못한점이 DC 방식으로전환하는데있어서중대한장벽이된다. 또한 DC 380V 는호환성과안정성측면과관련하여심각한문제가있다. 어느사용자든 DC 380V 의데이터센터를디자인하기전에 DC380V 장비의임계치는존재할필요가있다. 이런변환을촉진하기위한한가지현실적인방법은 IT 벤더가 AC 또는 DC 380V 모두받아들일수있는장비를제공하는것이다. 그러나그러한변화는그것이강력한경제적이점이요구되는데반해이백서에서제안하는이점은대부분의사용자들에게비교적작기때문에매우혁명적이라고할수있다. DC 380V 의또다른잠재적인이점은발생되는열의감소와랙당이용가능한공간이증가한다는것이다. 전력공급에서효율성향상에주요공헌을하는 AC/DC 변환단계의제거는랙단위에서대략 1.5% 의열발생의감소를가져온다. 더구나, 만일전력공급이 AC/DC 회로없이특정하게설계된다면전력공급의크기는대략 20% 까지감소될것이고랙의공간역시 3% 가량여유가생길것이다. 이러한감소들이중요한부분을차지하지못한다고하나, 그럼에도불구하고계산밀도는증가하게될것이다. DC 380V 배전의가장적합한적용분야는 DC 380V 입력을통해잠재적으로실용적인전문 IT 장비를얻기위한초대형데이터센터이다. 그러한데이터센터의한가지예는거대한슈퍼컴퓨터의설치가될수있다.
출하대기중인컴퓨터장비는 DC 380V 또는 AC 둘다수용할수있고그것은현실적인가능성이있다. 이것은 DC 380V 입력을위해전력공급의마지막단계인내부 AC/DC 프런트를우회하고사용하지않는회로를차단할수있는특별한커넥터의제공을필요로한다. 이러한접근에서전력공급의크기는줄어들지않는다. 이런다중입력구조는대부분높은최종서버에서적용가능하고일반적용도의 IT 장비에서는제공되지않을듯하다. 비용 DC UPS 시스템의비용은전형적으로 AC UPS 시스템보다 10~20% 정도낮다. 그러나추가적인기술, 특별한차단기, 그리고배선분배에관한비용은절약관점에서 DC offset 과관련이있다. DC 의장점은셀타워베이스스테이션과같은최소배전비용을가진저밀도설치에있어서가장우수하다. 데이터센터에서는일부 AC 만을전력으로필요로하는장비들이 DC 시스템의비용을증가시킨다. 서버나스토리지같은 DC 전력장비에서발생하는추가비용또한 DC 시스템의단점이다. 그러나 DC 48V 의가장큰비용문제는 IT 장비에배선을분배하여연결하는것이다. 구리전선의무게와비용이 10 배가량되기때문이다. 이렇게거대한구리선을 IT 장비에설치하고마무리하는것은캐비넷당 20kW 이상의전력단계에서매우비쌀뿐만아니라비실용적이다. DC 380V 배전을위해서는구리의사용을상당량줄일수있어야하고최선의방식인 AC 배전보다약간이라도낮아야한다. 전체적으로, 데이터센터이나네트워크룸의전력에있어서 AC 는 DC 48V 보다약간의비용적인이점이있다. DC 380V 장비에관한낮은규모로인해현재 AC 보다비용적인이점은없다. 그러나만약에 DC 380V 이표준이된다면그것은 AC 와비교했을때비용을동등하게할가능성이있다. 호환성 구리루프와관련하여음성스위치와같은회로 - 스위치방식의통신장비는역사적으로 DC 48V 입력으로설계되어왔다. 반면서버, 스토리지, 라우터등의패킷 - 스위치방식의통신장비는거의모두 AC 입력으로설계되었다. AC 와 DC 중어느것이더높은호환성을제공하느냐하는것은설비의초기사용을결정짓는중요한사실이다.
네트워크룸이나데이터센터에서패킷기반의장비가압도적으로사용되고있는것은 AC 시스템이가지고있는높은호환성때문이다. 모니터, NAS 스토리지설비, 또는 PC 와같은많은제품들이 DC 방식을채용하는것은사실상불가능하다. 만약인버터가이러한장치들에사용된다면효율성은떨어질것이다. 데이터센터또는네트워크룸의전력을위한 DC 전원의사용은 IT 장비의유형에따라심각하게제한된다. 대부분의경우, 추가적인 AC 전원시스템없이는동작자체가소용이없다. 만일잠재적으로슈퍼컴퓨터설치와같이 IT 장비세트와조화를이룰수있는표준화된응용기기가생긴다면호환성문제는줄어들것이다. 게다가고밀도설치에있어서, ASHRAE 와다른다양한조직들은에어컨디셔너팬의무중단작동에대한필요성을주장해왔다. 이것은에어컨디셔너팬이발전기가작동할때까지기다릴수없고무중단전력장치가공급되어야한다는것을의미한다. AC 시스템에서이것은간단한배선옵션으로가능하다. 그러나 DC 시스템에서이것은에어컨디셔너팬이외부 DC 전원과호환되어작동되야한다는것을의미한다. 그러한장치들은현재이용되지않을뿐더러비용이많이들것으로예상된다. 신뢰성 AC 와 DC 전력시스템의신뢰성에관한비교는기존의가설에상당히의존적이다. DC 전력시스템은하나또는여러개의병렬배터리열을공급하는 DC 정류기의배열로구성되어있다. 최근 UPS 제품의도입을보면배터리가병렬연결된모듈형 UPS 배열의유사한구조를이용한다. 그들의유사성때문에이러한디자인을사용하는 DC 와 AC 시스템은직접적으로비교될수있다. 그러한비교결과는시스템의신뢰성이배터리시스템에의해제어되고있다는사실을분명하게알려준다. 배터리수명의주기 (life-cycle) 를관리하기위해주어진비용으로 DC UPS 배터리시스템과유사한신뢰성을나타내는 AC UPS 배터리시스템을만들어내는것은가능하다. 동등한 life-cycle 측면에서, 데이터센터또는네트워크룸전원을위한 AC 또는 DC 를비교해보면신뢰성측면상분명한이점은특별히존재하지않는다.
고조파 이미발표되었던많은기록들은, 데이터센터에서 DC 방식으로의전환이 고조파문제 를해결할수있는핵심적인이점을갖는다고설명하고있다. 초기의 IT 장비는데이터센터에서과열된중성회로와변압기를포함하여심각한문제를일으키는전류고조파를발생시킨다. 그러나그것은국제적인법규가 1993 년이래로고조파를발생시키는 IT 장비의제조를금지시켜왔다는사실을지적해야만한다. 오직 1993 년이전의 IT 장비로이뤄진데이터센터만이심각한고조파전류를갖고있다는뜻이다. 새로운데이터센터가이젠그시대에설치되었던문제의 IT 장비를이용하지않을것이라는사실은분명해졌고, 그래서 DC 배전이고조파문제를해결할것이라는주장은심각한결점을갖고있으며데이터센터의전원시스템에있어서시대에뒤떨어진이해를바탕으로하고있다는사실을알수있다. 안정성 기호를표준화한세계적인 AC 전력분배에관한규정이있다. 국제적인규정이존재하고국가, 주, 지역단위심지어개인적인독특한지역에서도규정은존재한다. 이러한규정들은 AC 전원의배전이상업적으로그리고가정친화적으로대략 100 년이상지속되어온것을기반으로발전되어왔다. 대조적으로상업적인 DC 분배에관한몇가지규정이있다. 이것은국제적인표준을만들어낼뿐만아니라잠재적으로 DC 배치에있어서거대한장애요소가있다는것또한나타낸다. 예를들면, 이백서에기술된 DC 380V 배전구조는일본에서는불법일것이다. 왜냐하면규정상전류제한은 300V 이기때문이다. 오늘날데이터센터에서 DC 48V 이상의 DC 를설치한다면기술회사, 지역공사담당자, 지역빌딩감독관, 서비스업자들은어려움에직면하게될것이다. 비교요약 : DC vs AC 위검토를통해데이터센터전원을 AC 에서 DC 로바꾸는이용자들이효율성, 비용, 호환성, 신뢰성, 안정성등모든것을고려해봤을때옳지않음을알수있다. 고려된모든제안중에 DC 380V 는이론상최고의효율을제공한다.
그러나호환성측면에서심각한문제를갖고있다. AC 400/230V 는약간낮은효율을제공하지만보편적으로는널리호환이가능하다. 이러한이유로 AC 400/230V 는고효율을얻기위한가장실용적인방법이다. 또한우리는북미에서사용되는전통적인 AC 480V 배전시스템이효율성을우선순위목표라고했을때완벽치못한선택이었음을알수있다. 만일데이터센터가 AC 400/230V 로설계된다면즉각적인효율성을얻는것이가능하다. 결론 AC 방식은 DC 를대체하고 AC 방식의우수한호환성으로인해데이터센터와네트워크룸의전력측면에있어서우세하고여전히지배적인방식이다. AC 와비교하여 DC 사용의장점은많지않다. 그리고 DC 배전의일부유형은실제로효율적인측면에서심각한단점을갖고있다. 가장높은성능을가진 DC 방식은 DC 380V 배전구조이다. 그러나이것은아직존재하지않는새로운세대의 IT 와전력장비에필요한방식이다. 오늘날의고객들이우선적으로고려하는것은효율성측면이고, 앞으로도배전방식을선택하는데있어서가장중요한필수요소가될것이다. 데이터센터의비용과효율성측면을향상시키기위해최적화된규모의시스템에서개선된냉각분배구조와경제성있는공조장치를이용하는것이거대한효율성향상기회를제공할것이라는사실은자료를통해분명하게나타나있다. 가용성향상을위해제어과정을변화하는것이사실상모든데이터센터에서개선을위한주요한기회가될것이다. 일부기사는효율성측면에서 DC 의중요한장점을제시하였지만결점이될만한점들이많이발견되었고시대에뒤쳐진제품의데이터, 그리고잘못된가설에기초한것으로확인되었다. 북미시장의 AC 전원방식데이터센터는일반적으로변압기를기반으로한전원분배장치를사용한다. 그로인해중대한손실이발생하고공간의소비, 무게증가등많은단점들이생겨났다. 전원분배방식의효율성을향상시키기위한체계적인노력은그러한장비들을제거하는것에서부터시작되야한다. 이백서를통해알수있는가장중요한결과는북미에서사용되는 AC 480V 전원방식이다른모든새로운디자인에비해비효율적이고진부한것으로보여진다는것이다.
가장효율적인전원분배구조는 DC 380V 와 AC 400/230V 구조이다. 이방식들의효율성은또다른것들과매우밀접하기때문에아주세부적이고사실을기반으로한양적인비교는필수적이다. 새로운데이터센터는고효율의 UPS 와서버전력공급장치가결합된 AC 400/230V 전원시스템을사용해야한다. 이방식은이미북미시장을제외한대부분에적용되었기에어떤변화도요구되지않는다. 북미시장은새로운생각과디자인을필요로한다. 그래서일부벤더들은이미 AC 400/230V 전력배전을지원하고자장비들을소개하고있다. 네트워크룸과데이터센터에서는다양한종류의장비혼용이계속될것이다. 많은장비들로인해, 오직 AC 전력만이현실적인대안이될것이다. DC 전력은기존스타일의유선음성통화와같이회로기반의네트워크를위한선택방식으로유지되고있다. 매우높은효율성을제공하는 AC 전력의유연성과호환성으로인해 AC 배전은앞으로도계속네트워크룸과데이터센터전력분배의표준이될것이다.