(파워셸) 대형 변압기, 냉각 설비, 전문 인력 등 데이터센터를 구축하는 물리적 인프라 전체
물리적 병목은
'전력(raw power)' 그 자체가 아니라, 그 전력을 GPU 랙까지 전달하는 복잡한 인프라인 '파워셸(Powered Shell)' 에 있다.
필요 요소
① GPU의 높은 전력 밀도와 발열량에 맞춰 냉각 시스템, 바닥 하중 등이 완전히 새롭게 설계 된 'AI 워크로드 전용 데이터센터'
② 변압기, 무정전 전원 장치(UPS), 배전 설비 등 전력 변환 및 분배에 필요한 모든 장비
③ 이를 건설하고 유지보수할 숙련된 전문 인력
GPU 서버까지 전력이 전달되는 과정은 한전 계통 → 수전 설비 → 변압/배전반 → UPS/발전기 → PDU/버스덕트 → 랙 PDU → 서버 파워서플라이(PSU) → 메인보드·GPU 순으로 이어지는 전력 인프라 체인으로 이해하면 된다.
아래에서는 데이터센터/서버룸 관점에서의 물리 전력 경로와, 마지막 단계에서 PSU 내부의 전력 분배(“파워쉘”이라고 부르는 경우가 많은 부분)를 단계별로 정리한다.
1. 상위 전력 인입(한전 → 수전 설비)
- 데이터센터는 한전 고압(예: 22.9 kV, 154 kV 등)을 수전 변전 설비에서 받아 전용 수배전반으로 내린다.
- 수전 설비에는 차단기, 보호계전기, 변압기, 전력량계 등이 포함되며 이 단계에서 기본적인 보호(과전류, 지락 등)와 계측이 이뤄진다.
2. 변압 및 메인 배전반(MDB)
- 고압은 변압기를 통해 380/400/415 V급 3상 저압으로 강압되어 서버용 배전계통으로 들어간다.
- 메인 배전반(MDB)에서 각 전산실, 냉동기, 공조기, 조명, 기타 설비로 회로를 분기하며, GPU 존/랙 전용 패널을 별도로 두어 랙당 수 kW~수십 kW까지 공급 가능하도록 설계한다.
3. UPS 및 비상발전기 구간
- GPU 서버는 순간 정전에도 멈추면 안 되므로, 메인 배전반에서 UPS 입력으로 전력이 들어가고 UPS가 배터리를 통해 무정전 전원을 제공한다.
- 장시간 정전 시에는 디젤 발전기가 기동하여 UPS 입력측 또는 별도 상위 버스를 통해 전원을 공급하며, GPU 존은 중요 부하로 분류되어 UPS+발전기 이중 보호를 받는다.
4. 랙까지의 분배(서브패널 → PDU/버스덕트 → 랙 PDU)
- UPS 출력을 받은 서브배전반(Sub panel)에서 각 서버 랙(또는 GPU 존)으로 회로를 분기한다.
- 고밀도 GPU 클러스터의 경우 케이블 대신 버스덕트로 고용량 전력을 공급하고, 각 랙 위치에서 탭오프를 통해 랙 PDU에 연결하는 설계가 흔하다.
- 랙 내부에는 랙용 PDU(멀티탭과 비슷하지만 계측·원격제어 가능한 장비)가 설치되어 1U·2U·4U GPU 서버들에 각각 C13/C19 등의 콘센트로 전력을 분배한다.
5. 서버 파워서플라이(PSU) 인입과 이중화
- GPU 서버 섀시 뒤쪽에 2개 이상(고밀도는 4~6개)의 PSU 모듈이 장착되며, 랙 PDU의 서로 다른 라인/위상에서 전원을 각각 받아 이중화(N+1, N+N 등)를 구성한다.
- 예를 들어 4.3 kW급 GPU 서버라면, 2 kW급 PSU 3개(N+1) 혹은 2 kW급 4개(N+N 등)로 구성하여 하나가 고장나도 나머지로 운전 가능하도록 한다.
6. PSU 내부(“파워쉘”)의 전력 변환·분배
일반적으로 현장에서 “파워쉘”이라고 부르는 것은 서버 섀시 안에서 여러 PSU가 만들어낸 DC 전력을 공통 버스로 모아 메인보드, CPU, GPU, 드라이브로 분배하는 파워 쉘/파워 백플레인 구조를 의미하는 경우가 많다.
- 각 PSU는 입력 AC(200~240 V 1상/3상)를 정류 및 PFC를 통해 고전압 DC로 만들고, LLC/디지털 컨버터로 12 V 혹은 48 V 메인 DC 버스로 변환한다.
- 이 DC 버스가 파워쉘(파워 백플레인)을 통해 서버 내부 전력 레일로 분배되며, 여기서 다시 VRM 모듈이 12 V/48 V를 GPU·CPU 코어 전압(예: 0.6~1.1 V대), 메모리, 칩셋, 스토리지용 레일로 세분화한다.
7. GPU/CPU 레벨 전력 제어
- GPU는 보드 단에서 12 V 레일을 입력 받아 온보드 DC-DC 컨버터(VRM)로 여러 코어 전압, 메모리 전압 등을 생성하고, 전력·클럭을 실시간으로 관리한다.
- 데이터센터 GPU(B200, H200 등)는 서버당 10 kW 이상을 요구할 수 있으며, MIG 등 가상화 기술과 전력 캡(power cap) 기능을 통해 워크로드별로 GPU 전력을 분배·제한하는 소프트웨어 레벨 관리도 이루어진다.
8. AI 데이터센터에서의 설계 포인트
- GPU 서버 중심의 AI 데이터센터는 일반 클라우드 대비 2~3배 높은 전력밀도를 가지므로, 랙당 10~40 kW급 전원 공급과 그에 상응하는 냉각(공랭+액침/수랭) 설계가 필수다.
- 정부·기업에서 수만 장 규모 GPU를 도입할 경우 수십~수백 MW 급 전력 인입이 필요하며, 전력·냉각·상면을 동시에 확충하지 않으면 GPU만 확보해도 실제로 돌릴 수 없는 상황이 발생한다.
9. 정리용 개념 흐름
- 상위 계통: 한전 → 수전 변전 설비 → 변압기 → 메인 배전반(MDB).
- 무정전 구간: UPS 입력 → UPS 출력 → 비상발전기(장시간 정전 대비).
- 랙 구간: 서브배전반 → 버스덕트 또는 케이블 → 랙 PDU → 서버 PSU 모듈.
- 서버 내부: PSU AC→DC 변환 → 파워쉘/백플레인(DC 버스) → VRM → CPU·GPU·RAM·스토리지 등에 전압·전력 분배.
GPU 서버 전력 설계/검토 관점에서, 장비 스펙의 PSU 용량·입력 조건, 랙당 허용 전력, PDU/UPS 용량과 이중화 방식(N+1/N+N) 및 냉각 방식(공랭/수랭)을 같이 보는 것이 핵심적인 포인트다.
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