컴퓨팅
데이터 센터 효율성을 향상시키는 더 나은 전력 변환 칩
소음이 큰 컴퓨팅과 AI 데이터 센터가 급증함에 따라, 컴퓨팅 작업의 에너지 소비가 급격히 증가하고 있으며, 이는 에너지 공급이나 전송 용량의 성장보다 훨씬 빠릅니다. 이는 추가적인 컴퓨팅 용량을 설치할 수 있는 한계를 강하게 제한할 수 있으며, 새로운 에너지원을 구축하는 것이 AI 칩과 GPU 공급의 이전 병목 현상보다 훨씬 느리고 빠르게 해결하기 어렵습니다.
이 때문에 데이터 센터의 효율성을 향상시키는 모든 개선이 중요합니다. 핵심적인 부분은 TPU, ASIC 등과 같은 특수하고 더 에너지 효율적인 컴퓨팅 하드웨어로 전환하는 것입니다.
(이 주제에 대해 더 읽고 싶다면 “AI 하드웨어 투자: CPU에서 XPU까지”를 참고하세요.)
또 다른 가능성은 에너지 공급 자체의 효율성을 향상시키는 것입니다. 대부분의 데이터 센터는 고전압 전원 공급 장치를 사용하여 전송 손실을 최소화하고 전체 데이터 센터가 필요로 하는 막대한 에너지를 처리합니다.
하지만 컴퓨터 칩 자체는 훨씬 작고 섬세하며 낮은 전압에서 동작합니다. 따라서 전원 공급 장치를 낮은 전압으로 변환해야 하는데, 이는 효율이 높은 작업이 아닙니다.
현재까지는 캘리포니아 대학교의 세 연구원이 데이터 센터 전원 공급과 GPU/AI 칩 사이의 급격한 전압 강하에 완벽한 새로운 전압 감소 방법을 발견했을 가능성이 있습니다. 그들은 이 연구 결과를 권위 있는 과학 저널 Nature Communications1에 “하이브리드 압전 공명기 기반 DC-DC 변환기”라는 제목으로 발표했습니다.
데이터 센터 전력 변환 혁신
GPU에 전력이 공급되는 방식
대부분의 최신 데이터 센터는 랙 전체에 48V 전원 공급 장치를 분산시켜 운영합니다. 이는 이전에 사용되던 12V 표준보다 훨씬 높습니다. 이 변화는 최신 칩의 전력 수요 증가와 랙 내부 공간 부족에 의해 촉진되었습니다.
48V는 단순히 더 효율적이며 120V AC 전력망을 실리콘 칩이 사용할 수 있는 DC 전기로 변환할 때 필요한 전력 변환 부품 수를 줄여줍니다.
Source: AndCables
하지만 이것은 새로운 과제를 만들었습니다. 기존의 강압 변환기는 입력 전압과 출력 전압 사이의 큰 차이를 다룰 때 종종 어려움을 겪습니다.
“그 차이가 커질수록 효율이 떨어지고 충분한 전류를 공급하기가 어려워집니다.”
Patrick Mercier – UC San Diego Jacobs School of Engineering 교수
그리고 실제로 컴퓨팅을 수행하는 칩 자체는 1~5볼트의 낮은 전압에서 동작합니다. 따라서 데이터 센터 랙에 48V 전원을 공급하면 변환 효율이 떨어지게 됩니다.
자석에서 압전 변환기로
이 문제를 해결하는 데 있어 장애물은 현재 전압을 낮추는 방법인 자기 유도가 이미 매우 성숙하고 잘 이해된 기술이라는 점입니다. 이러한 부품은 수년간 설계 및 정교화되어 왔으며, 더 이상 개선 여지가 거의 없습니다.
“우리는 유도 변환기 설계에 너무 능숙해져서 미래 요구를 충족시키기 위해 개선할 여지가 거의 없습니다.”
Patrick Mercier – UC San Diego Jacobs School of Engineering 교수
그래서 연구원들은 압전 공명기를 사용한 다른 접근 방식을 선택했습니다. 이 작은 장치는 자기장이 아니라 기계적 진동을 통해 에너지를 저장하고 전달합니다.
전반적으로 압전 부품은 자기 유도기에 비해 크기가 작고, 에너지 밀도가 높으며, 효율이 좋고, 대량 생산이 더 용이할 것으로 예상됩니다.
하지만 지금까지 압전 변환기는 큰 전압 차이를 처리하고 효율을 유지하는 데 어려움을 겪었습니다.
압전 변환기 개선
고전적인 압전 변환기의 문제를 해결하기 위해 연구원들은 압전 공명기에 여러 개의 소형 상용 커패시터를 결합한 하이브리드 설계를 만들었습니다.
이 커패시터들은 신중하게 설계된 구성으로 배열되어 시스템이 더 큰 전압 변환을 보다 효과적으로 처리할 수 있게 합니다. 이는 에너지가 시스템을 통과하는 여러 경로를 만들고, 낭비되는 전력을 감소시키며, 공명기에 가해지는 부담을 줄여줍니다.
이 프로토타입은 48볼트를 4.8볼트로 변환하면서 최고 효율 96.2%를 달성했습니다. 이는 이전 압전 기반 설계보다 4배 높은 출력 전류를 의미합니다.
출처: ScienceDaily
물론 이것은 아직 프로토타입에 불과하며, 최종 상용 설계에는 여전히 개선이 필요합니다. 특히 재료 정제, 회로 설계 개선, 그리고 더 나은 패키징 방법 개발이 요구됩니다.
또 다른 해결 과제는 압전 시스템이 진동한다는 점으로, 회로 기판에 직접 납땜할 수 없어 전체 전자 칩을 흔들 위험이 있습니다.
“압전 기반 변환기는 아직 기존 전력 변환 기술을 대체할 준비가 되지 않았습니다. 하지만 개선을 위한 궤적을 제공합니다. 우리는 재료, 회로, 패키징 등 여러 분야를 지속적으로 개선하여 이 기술을 데이터 센터에 적용할 준비를 해야 합니다.”
Patrick Mercier – UC San Diego Jacobs School of Engineering 교수
이는 압전 기술을 활용한 새로운 응용 분야 중 하나에 불과하며, 예를 들어 다음과 같은 분야도 포함됩니다:
압전 기술에 투자하기
CTS Corporation
(CTS )
압전 장치 시장은 이미 규모가 큰데, 2024년 매출 355억 9천만 달러, 2030년까지 연평균 7% 성장해 554억 9천만 달러에 이를 것으로 예상. 이 분야의 선두 기업 중 하나가 CTS Corporation이며, 산업(히트 펌프, 로봇 포지셔닝, 계량), 운송, 의료, 항공우주·방위 등 다양한 산업을 위한 맞춤형 솔루션을 제조합니다.
자동차 부문이 회사 매출의 거의 절반을 차지하는 가장 큰 부문이지만, 최근 몇 년간 의료 및 항공우주 부문이 빠르게 성장하고 있으며 앞으로도 계속 성장할 것으로 예상됩니다. 매출의 60%는 북미, 22%는 아시아, 18%는 유럽에서 발생합니다.
출처: CTS
회사는 1896년, 시카고 전화 공급 회사(Chicago Telephone Supply Company)로 설립되어 이후 CTS로 명칭이 축소되었습니다.
CTS는 자기 및 압전 물리를 활용한 센서와 전자를 틈새 응용 분야에 제공하며, 센서, 칩, 이미징, 레이더, 액추에이터, 제어 등에 적용합니다.
출처: CTS
회사의 제품 라인업은 자동화와 전동화, 그리고 의료 분야의 센서와 덜 침습적인 의료 절차·진단 혁신으로부터 큰 혜택을 받을 수 있도록 잘 배치되어 있습니다.
재산업화도 회사에 이점을 제공할 것이며, 그 부품은 새로운 혹은 업데이트된 공장을 통해 산업용 로봇, 프린터, 측정 시스템 등에 사용될 것입니다.
마지막으로, CTS는 해저 소나, 무인 수중 차량, 탄약, 위성 등에 사용되는 부품을 보유하고 있어 군비 증가에서도 혜택을 받을 수 있습니다.
이는 CTS가 압전 기술 활용 확대뿐만 아니라 재산업화, 전동화, 방위비 증가라는 주요 경제 트렌드에 필수적인 센서 및 전자 부품 분야에서도 이익을 얻을 가능성이 높은 기업임을 의미합니다.
최신 CTS Corporation (CTS) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Ko, JY., Liu, WC.B., & Mercier, P.P. 하이브리드 압전 공명기 기반 DC-DC 변환기. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0
