반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

(출처 : WIROT/stock.adobe.com)

데이터센터는 우리의 디지털 삶을 움직이는 중심으로 자리 잡고 있으며, 인공지능(AI)부터 고성능 컴퓨팅(HPC)까지 다양한 기술을 구동하는 역할을 한다. 이러한 기술이 발전함에 따라 데이터센터의 에너지 수요도 급격히 증가하고 있다. 랙당 전력 밀도가 100kW를 넘어서는 상황에서는 기존의 냉각 방식으로는 한계에 부딪히게 된다. 이 글에서는 이러한 과제를 해결하기 위해 데이터센터 냉각 기술이 어떻게 발전하고 있는지 살펴보고, 전력 밀도 증가에도 효율성과 지속 가능성을 유지하려는 노력을 소개한다.

증가하는 에너지 수요

데이터센터는 클라우드 컴퓨팅부터 암호화폐 채굴까지 다양한 디지털 활동을 뒷받침하는 기반 인프라로 자리 잡고 있다. 가까운 미래에 데이터센터와 암호화폐는 약 536테라와트시(TWh)의 전력을 소비할 것으로 예상되며, 이는 전 세계 전력 생산량의 약 2%에 해당한다.(참고자료 1) 

이 수치는 2030년까지 1,000TWh에 이를 것으로 전망되며(참고자료 2), 보다 효율적이고 지속 가능한 냉각 솔루션의 필요성이 그만큼 시급하다는 점을 보여준다.

전통적인 냉각 방식과 첨단 냉각 방식

AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)의 에너지 수요 증가에 대응하기 위해 데이터센터가 진화함에 따라, 이를 냉각하는 방식도 함께 발전하고 있다. 기존의 공냉 방식은 비용 효율성이 높고 널리 사용되고 있지만, 갈수록 높아지는 전력 밀도를 감당하기에는 점점 어려움을 겪고 있다. 반면, 직접 칩에 냉각수를 공급하는 DTC(Direct-to-Chip) 방식이나 액침 냉각(Immersion Cooling)과 같은 첨단 냉각 기술은 더 높은 효율성과 지속 가능성을 제공하는 대안으로 주목받고 있다. 현재 개발 중인 각 냉각 기술은 서로 다른 기술적 특성을 가지고 있으며, 각각의 장점과 한계가 존재한다.

공냉 방식

공냉은 초기 설치 비용이 낮다는 이유로 오랫동안 데이터센터에서 널리 사용되어 왔다. 그러나 전력 밀도가 높아지면서 공냉 방식은 점점 비효율적이고 에너지 소비가 많은 방식으로 전락하고 있다. 팬의 위치 최적화나 공기 흐름 제어와 같은 개선이 적용되고 있지만, 이러한 조치만으로는 최신 고밀도 데이터센터의 요구를 충족하기에는 부족한 경우가 많다.

액체 냉각

액체 냉각, 특히 DTC(Direct-to-Chip) 방식은 더 뛰어난 대안으로 부상하고 있다(그림 1). DTC 냉각은 냉각수를 프로세서와 같은 주요 하드웨어 위로 직접 순환시켜 열을 효과적으로 제거하는 방식이다. 다만 이 방식은 네트워크 장비나 스토리지 칩과 같은 보조 부품은 여전히 공냉 방식에 의존해야 한다는 한계가 있다.

액체 냉각은 성숙하고 효과적인 솔루션이지만, 데이터센터 내에서 여전히 공냉이 필요한 

부분을 만든다. (출처: Damian Sobczyk/stock.adobe.com; AI로 생성됨)

액침 냉각

액침 냉각은 액체 냉각보다 한 단계 더 발전된 방식으로, 전체 랙을 열전도성이 있는 절연 액체에 담그는 방법이다. 이 방식은 에너지 소비를 크게 줄이고 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 단상 액침 냉각은 열교환기를 사용해 냉각수를 식히는 방식이고, 2단계 액침 냉각은 액체가 증발하고 다시 응축되는 과정을 통해 냉각이 이루어진다.

냉각 솔루션의 이점

데이터센터 냉각 분야는 효율성과 지속 가능성에 대한 요구에 따라 빠르게 변화하고 있다. 초고밀도 데이터센터의 전력 밀도가 급격히 상승하면서 기존의 냉각 방식만으로는 충분하지 않게 되었다. 이에 따라 데이터센터는 액체 냉각과 같은 새로운 방식으로 전환하는 동시에, 재생 에너지를 통합하고 폐열을 창의적으로 활용하는 기술도 함께 발전하고 있다. 이러한 흐름은 데이터센터 냉각의 미래를 더욱 효율적이고 친환경적으로 변화시키고 있다.

지속 가능성과 효율성

디지털 전환이 가속화됨에 따라 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 필요성이 더욱 커지고 있다. 일부 데이터센터는 막대한 에너지 수요를 상쇄하기 위해 재생 에너지원과 함께 구축되고 있다. 또한, 액침 냉각 방식은 기존 공냉 방식에 비해 냉각 에너지 소비를 최대 90%까지 줄일 수 있는 가능성이 있다(참고자료 3).

폐열 재활용

액체 냉각, 특히 액침 냉각의 주요 장점 중 하나는 폐열을 재활용할 수 있다는 점이다. 이 폐열은 수영장, 학교, 쇼핑 지구의 난방 등 다양한 용도로 활용되거나, 다시 전기 에너지로 전환하는 데 사용할 수 있다.

미래의 데이터센터 냉각

데이터센터 냉각의 미래는 첨단 기술과 혁신적인 접근 방식을 통합하는 데 달려 있다. AI와 HPC 기술이 계속 발전하면서 더 많은 에너지를 요구하게 되면, 다음과 같은 주요 트렌드들이 주목받게 될 것이다.

하이브리드 냉각 시스템

앞으로 몇 년 동안 공냉과 액체 냉각을 결합한 하이브리드 냉각 시스템의 도입이 증가할 것으로 예상된다. 이러한 시스템은 비용과 효율성 간의 균형을 제공하며, 신규 설치뿐 아니라 기존 시설의 개보수에도 적합하다.

첨단 모니터링 및 분석

냉각 효율을 최적화하기 위해 데이터센터는 첨단 모니터링 및 분석 기술에 점점 더 의존하게 될 것이다. AI 기반의 냉각 최적화 시스템은 수천 개의 센서와 냉각 장치를 실시간으로 모니터링하고 관리하여, 특정 구성 요소가 과열되지 않도록 한다.

산업 간 협력

데이터센터 운영사와 냉각 기술 기업 간의 협력이 혁신을 촉진할 것으로 예상된다. 냉각 산업 내에서의 인수합병은 첨단 냉각 솔루션의 도입을 가속화하며, 데이터센터가 증가하는 수요에 효과적으로 대응할 수 있도록 도와줄 것이다.

결론

데이터센터는 새로운 AI 애플리케이션의 컴퓨팅 수요를 충족하기 위해 지속적으로 확장되고 진화하고 있으며, 이에 따라 효과적이고 지속 가능한 냉각 솔루션의 필요성이 더욱 중요해지고 있다. 기존의 공냉 방식부터 첨단 액체 냉각 기술에 이르기까지, 업계는 증가하는 에너지 수요에 대응하기 위해 다양한 방법을 모색하고 있다. 이러한 혁신을 수용함으로써 데이터센터는 더 높은 효율성과 지속 가능성, 그리고 성능을 실현할 수 있다.

이 주제에 대해 보다 심도 깊은 정보는 ‘AI & HPC: Evolving Data Center Cooling’ 기사를 참고하면 된다.

참고자료

1. https://www.datacenterdynamics.com/en/opinions/four-key-trends-disrupting-data-centers-in-2025/

2. https://www.datacenterfrontier.com/cloud/article/55253151/8-trends-that-will-shape-the-data-center-industry-in-2025

3. https://www.hpcwire.com/2024/02/01/the-genai-data-center-squeeze-is-here/

자료제공/ 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)