무어의 법칙을 따라잡고 있는 전원 모듈

무어의 법칙, 더 정확히 말하면 그의 예측은 복잡한 IC의 트랜지스터 수가 매년 대략 두 배로 증가한다는 것이었습니다. 고든 무어(Gordon Moore)는 1965년 한 대중 잡지에 이 같은 내용을 발표했으며, 처음에는 단지 10년 후를 내다보고 한 예측이었습니다.

그는 당시 약 50개의 부품으로 구성된 IC가 1975년경에는 6mm x 6mm 크기의 다이에 65,000개까지 증가할 것이라고 예측했습니다. 그의 예측은 거의 정확했으며, 1976년에 출시된 인텔 8086은 3.2µm 공정을 사용하여 29,000개의 트랜지스터를 탑재했습니다. 무어는 이후 예측을 수정하여 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라고 발표했습니다. 복잡성의 증가 속도는 그 이후 다소 둔화되었지만, TSMC의 2nm 공정(N2)은 2025년 하반기 양산을 앞두고 있으며, 이는 선폭이 무려 1,600배 축소된 놀라운 성과입니다.

2025년 현재, 소비자용/데스크톱급 마이크로프로세서 분야에서 최고 기록은 애플의 M3 울트라(M3 Ultra)가 보유하고 있으며, 5nm 공정으로 제작된 듀얼 다이 설계를 통해 약 1,840억 개의 트랜지스터를 탑재하고 있습니다. 이 시스템 온 칩(SoC)은 각각 420mm² 크기의 다이 2개로 구성되어 있습니다. 3D 트랜지스터와 다이 스태킹과 같은 공정 혁신은 mm²당 처리 성능의 기하급수적 증가 추세를 지속시키고 있습니다.

어떠한 시스템이나 여러 시스템을 전력 솔루션, 전원 공급장치, 또는 전력 소비, 에너지 효율, 에너지 저장과 관련된 분석 측면에서 평가할 때는 전력원과 부하를 구분하는 것이 좋습니다. 가장 기본적인 수준에서 이는 전력을 공급하는 전원 공급장치와 그 전력을 소비하는 최종 부하를 구분하는 것을 의미합니다. 전력원과 부하를 독립적인 블랙박스로 간주하고, 이들이 서로 ‘통신’한다고 생각해 보세요. 아래 도면은 시스템을 블록 다이어그램 형태로 개념적으로 분해한 것으로, 특히 컴퓨팅 또는 서버와 유사한 아키텍처를 나타내며 일반적인 전력원과 부하 간의 구분을 강조합니다.


이 구분은 특히 수많은 부품으로 구성되고 엔지니어링, 제조, 공급망 변수에 의해 영향을 받는 복잡한 시스템에서 기술 발전 속도를 검토할 때 매우 중요합니다. 트랜지스터 수, 전력 밀도, 에너지 효율성등 기하급수적인 개선 추세는 전력원 측보다는 부하 측과 더 밀접하게 연관되어 있습니다. 전력원 측 부품은 보통 자기 소자, 전력 트랜지스터, 에너지 저장 장치로 이루어지며, 저전압 반도체에 비해 발전 속도가 상대적으로 느린 편입니다.

원칙적으로 PoL 컨버터에 사용되는 변환 토폴로지는 수십 년 동안 거의 변하지 않았습니다. 벅, 부스트, 벅-부스트 회로는 여전히 표준으로 자리 잡고 있으며, 반도체 스위치, 다이오드 또는 동기 정류기, 인덕터, 커패시터를 사용합니다. 제어는 펄스폭 변조(PWM) 또는 주파수 변조(FM)를 통해 이루어집니다. 핵심 토폴로지는 변하지 않았지만, 스위치는 더 낮은 정적 및 동적 손실을 보이고, 더 높은 주파수에서 동작하도록 발전해 왔습니다. 인덕터 코어 소재도 손실을 줄이기 위해 점진적으로 개선되었으며, 커패시터 기술 역시 발전했습니다. 이러한 개선 사항은 전반적으로 효율을 높여 전력 밀도를 증가시켰으며, 그 결과 동일한 부하와 온도 상승 조건에서도 PoL 컨버터를 더욱 소형화할 수 있게 되었습니다. 그러나 이러한 발전은 무어의 법칙을 따르지는 않았으며, 전력 컨버터는 여전히 기판상에서 상당한 공간을 차지하고 있습니다.

PoL 컨버터의 크기 문제가 발생하는 원인 중 하나는 전통적으로 집적도가 낮은 기판 위에 개별 부품을 사용해 왔기 때문입니다. 이는 단순히 PoL 컨버터가 전력을 변환하는 장치로서 필연적으로 열을 발생시키기 때문에 온도 상승을 억제하는 데 큰 부품이 필요했던 데에서 기인합니다. 또한 인덕터와 그 코어는 부피가 큰 개별 부품 외의 형태로 제작하기가 어렵고 페라이트 코어 기술 역시 수십 년에 걸쳐 소폭 개선에 그쳤습니다. 이에 따라 최소한의 코일 권선 수가 필요하며, 높은 전류를 견디면서 과열되지 않도록 권선 두께도 충분히 두꺼워야 하므로 결과적으로 부피가 커질 수밖에 없습니다. 동일한 코어 자속 밀도와 출력 리플 전류 조건에서 스위칭 주파수가 증가함에 따라 필요한 권선 수는 줄어들지만, 코어 손실과 PoL 컨버터의 스위칭 손실도 증가하여 추가로 발생하는 열을 방출하기 위해 더 큰 PoL 컨버터가 필요하게 됩니다. 이 모든 것은 프로세서와 달리 PoL 컨버터는 크기 축소가 직접적으로 열 문제를 야기하여 전체적인 성능 향상을 제한한다는 것을 의미합니다.

부하 전력 예산이 공급 전력 가용성 증가 속도보다 더 빠르게 감소하고 있기 때문에 무어의 법칙에 맞추려면 단순히 더 큰 전원 공급장치를 설계하는 것보다 전력 예산을 줄이는 데 집중해야 합니다. 지능형 전력 관리(IPM) 기술은 컴퓨터 시스템과 데이터 센터에서 전력 분배와 사용을 최적화하는 데 도움을 줍니다[3].

이러한 사고방식의 전환에는 다음이 포함됩니다.

• 상시 연결 전력 아키텍처에서 상시 가용 전력 아키텍처로 전환
• 에너지 저장을 활용한 피크 세이빙으로 고전력 피크를 처리하면서 정상 상태 전력 최적화
• 사용하지 않는 하위 시스템을 종료하는 부하 차단/통합으로 전력 효율 향상
• 최악의 상황에 대비해 과도한 전원 설계를 피하는 전력 할당 최적화

PoL 컨버터 모듈은 표준 입력 범위를 따르지 않으며, 필요한 출력 전압은 대략 0.5V에서 3.3V까지 다양하고, 기존 설계에서는 최대 5V까지 요구될 수 있습니다. 전류 정격 또한 1암페어 미만부터 수십 암페어까지 크게 차이가 날 수 있습니다. 전원 모듈의 입력 전압은 12V, 5V, 3.3V와 같은 정전압 버스에서 유도되거나 때로는 9V와 같은 중간값일 수도 있습니다. 특히 배터리 구동 장치에서는 입력 전압이 리튬이온 셀에서 공급되는 경우가 많으며, 보통 약 3.7V이지만 충전 중에는 4V 이상으로 상승하고, 과도하게 방전되면 3V 이하로 떨어집니다. 또는 입력 전압이 비정전압 전력원에서 공급되어 2:1 이상의 변동 범위를 가질 수도 있습니다.

다양한 응용 분야를 지원하기 위해 RECOM은 현재 RP및 RB 시리즈의 제품을 제공하고 있으며, 부스트 컨버터의 입력 전압 범위는 최저 0.85V까지, 벅 컨버터는 최대 65V까지 지원합니다. 모든 제품은 출력 전압 조절 기능을 갖추고 있으며, 0.6V에서 35V까지의 출력 전압이 필요한 응용 분야를 지원합니다. 전류 정격은 0.5A부터 15A까지 다양합니다. 그림 6은 사용 가능한 벅 컨버터 조합을 간략하게 나타낸 것입니다.


마찬가지로 그림 7은 RECOM에서 제공하는 최대 10A 정격의 다양한 부스트 전원 모듈 범위를 보여줍니다. RBB5-1.5 및 RBB10 부품은 벅-부스트 타입으로, 출력 전압이 입력 전압보다 높거나 낮을 수 있어 배터리 소스가 방전될 때도 안정적인 전력 공급을 유지하는 데 유용합니다. 최대 1.5A 용량의 부스트 컨버터에는 출력 과전압 보호 기능이 포함되어 있으며, 모두 비활성화 시 실제 부하 차단 기능을 갖추고 있습니다. 이 기능은 부스트 컨버터가 스위칭하지 않을 때 보통 직접적인 DC 경로가 존재하기 때문에 필요합니다. 모든 벅 및 부스트 컨버터는 추가로 과열 보호 및 출력 과전류 보호 기능도 갖추고 있습니다.

그렇다면 전원 모듈이 무어의 법칙을 따라잡았을까요? 24V 입력, 3.3V 출력, 4A의 PoL 컨버터를 비교하는 몇 가지 예를 살펴보겠습니다. 불과 4년 전인 2018년에는 한 제품이 “전력 변환의 발전을 선도하는 제품”으로 홍보되었습니다. 해당 제품은 33mm × 13.6mm 크기에 높이는 8.8mm, 부피는 3,950mm³였습니다. 반면, 오늘날 RECOM의 RPX-4.0 은 5mm × 5.5mm 크기에 높이는 4.1mm, 부피는 단 113mm³로 전력 밀도가 35배 향상된 것을 나타냅니다. 흥미롭게도 두 제품의 효율성은 대체로 동일하며, 이러한 성능 향상은 전적으로 더 높은 스위칭 주파수, 더 작은 부품, 그리고 3D Power Packaging^® 기술 덕분입니다.

또 다른 예로는 2A에서 5V를 1.8V로 변환하는 경우를 들 수 있습니다. 구형 관통홀 방식의 부품은 여전히 찾아볼 수 있으며, 크기는 14mm x 7.5mm, 높이는 10.1mm에 달합니다. 이에 비해, RECOM의 RPZ-2.0 은 크기가 단 3mm x 3mm에 높이 1.1mm에 불과하여, 전력 밀도가 107배 향상되었습니다(그림 8). 크기는 거의 12배나 줄어들었고, RECOM 부품은 메인보드 한 면에만 장착되며, 수동 장착 및 스루홀 납땜에 따른 복잡성도 해소되었습니다.

구형 오픈 프레임 DIP 스타일 PoL 컨버터의 경우, 동일한 부품을 사용자가 직접 메인보드에 조립할 수 있다는 점이 명백했기 때문에 모듈을 별도로 구매하는 것의 가치에 의문을 가질 때가 많았습니다. 공간 절약형 SIP 부품조차도 이미 메인보드에서 사용되고 있는 동일한 부품 형태와 조립 기법으로 쉽게 복제할 수 있었습니다. 그러나 3D 파워 패키징 기술을 사용한 전원 모듈은 일반적인 메인보드 제작 방식으로는 경제적으로 복제할 수 없습니다. 이러한 모듈들은 이제 사용자가 직접 제작할 생각조차 하지 않는 저항기나 커패시터 같은 표준 부품으로 인식되고 있습니다. 콤팩트한 크기 덕분에 다른 부품 주변이나 아래에 쉽게 장착할 수 있으며, 현재 사용되는 고도로 자동화된 제조 공정은 비용 절감과 신뢰성 향상에 기여합니다.

전력 솔루션이 무어의 법칙이나 MEMS의 성장 속도를 완전히 따라잡지는 못하더라도, 전력원과 부하 간 격차는 빠르게 좁혀지고 있습니다. 지능형 전력 관리, 에너지 저장, 그리고 3D Power Packaging®과 같은 첨단 기술 덕분에 오늘날의 전원 모듈은 개별 부품 솔루션이 제공할 수 있는 수준을 훨씬 뛰어넘는 전력 밀도를 실현하고 있습니다. 이러한 혁신을 통해 최신 성능 요구를 충족하는 컴팩트하고 효율적이며 확장 가능한 설계를 구현할 수 있습니다. 자동화에 따른 비용 절감과 휴대용 기기부터 서버 보드에 이르는 폭넓은 RECOM 제품 포트폴리오 덕분에, 모듈 기반 솔루션은 차세대 전자제품에서 확실한 선택지가 되었습니다.

[1] B. Zahnstecher, “Best Practices for Low-Power (IoT/IIoT) Designs: SEPARATING THE SOURCE-SIDE & LOAD-SIDE ANALYSES,” ECCE 2022 Tutorial, Detroit, MI, October 9, 2022
[2] “DC/DC for GaN,” RECOM Blog, Sep 16, 2022, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (accessed January 23, 2023)
[3] Data Center Facilities Definitions, "Intelligent Power Management (IPM)," TechTarget, https://www.techtarget.com/searchdatacenter/definitions/Data-center-design-and-facilities (accessed February 24, 2023)