1. 데이터센터 운영 환경 변화와 Rack 고집적화 영향
(1) 데이터센터 운영 환경 변화
| 비교 항목 | 기존 컴퓨팅 환경 | 고집적화 컴퓨팅 환경 |
|---|---|---|
| 사용 환경 | 표준 처리 성능과 밀도를 갖춘 기존 중앙 처리 서버와 적당한 처리 요구에 따른 범용 워크로드 | GPU 및 Gen. AI 지원 서버를 활용한 계산 용량 가속화로 리소스 집약적 병렬 워크로드 |
| 워크로드 사례 | 데이터 스토리지/통신, 트랜잭션 처리, 웹 호스팅 등 | LLM, 빅데이터 분석, 인공지능, Genomic Sequencing 등 |
| 인프라 영향 | MW(메가와트) 당 2.5 ~ 3M USD (랙당 10kW 소요, 100% 공랭식) | MW(메가와트) 당 3 ~ 3.5M USD (랙당 70kW 소요, 80% 수랭, 20% 공랭) |
(2) 데이터센터 Rack 고집적화에 따른 영향
- 데이터센터 환경은 AI 서비스 등 고집적화, 병렬처리 컴퓨팅 환경으로 변화하여 1 MW 규모의 데이터센터 구축 및 운영 과정에서 발생하는 사회경제적 비용이 3.5M USD 수준으로 증가
2. 데이터센터액체냉각(Datacenter Liquid Cooling)개요
(1) Rack 밀도 및 전력량에 따른 데이터센터 냉각 기술
- 현재 대부분의 Rack은 최대 20kW 전력을 사용하고 있으며, 데이터센터 운영 환경 변화에 따라 운영되는 Rack 당 60kW 이상 필요할 것으로 전망
(2) 데이터센터 액체 냉각의 개념
| 개념도 | 개념 |
|---|---|
| 고밀도 Rack의 하드웨어 온도 제어를 위해 CPU 등 열 발생 부품 또는 장비에 냉각된 액체를 순환시키는 데이터센터 냉각 방식 |
- 기존 공기 냉각 방식은 AI 서비스 등 Rack 고밀도화/고전력화로 인한 20kW 이상 전력 사용 Rack을 냉각시키기 어려우므로 데이터센터에 액체 냉각 방식 적용이 필수
3. 데이터센터 냉각 방식 유형 및 액체 냉각 메커니즘
(1) 데이터센터 냉각 방식 유형
| 구분 | 유형 | 세부 냉각 방식 / 특징 |
|---|---|---|
| 공기 냉각 방식 | CRAC (Computer Room Air Conditioning) | – 격벽에 냉각기를 배치하여 냉기 배포, 열기 흡입 – 유지관리가 쉽지만 냉각 효율성 저하 |
| 이중바닥 차폐 CRAC | – Access Floor에 차폐 장치 추가, 냉기/열기를 분리 – 핫스팟 위험이 감소되나 결로 위험 증가 | |
| 랙 기반 냉각 (Containment) | – 전용 차폐 장치를 사용해 서버 랙의 개별 행을 냉각 – 냉각 효율 향상되나 초기 비용 발생, 공간 활용도 감소 | |
| 액체 냉각 방식 | 칩 직접 냉각 (D2C, (Direct-to-Chip Cooling) | – 열 발생 부품에 냉각 플레이트 설치, 튜브로 액체 순환 – 열 방출, 에너지 효율 및 공간 절약, 서버 개조 필요 |
| 액침 냉각 (Immersion Cooling) | – 서버와 기타 IT 장비를 비전도성 액체에 담그는 방식 – 높은 전력 밀도 구현, 데이터센터 아키텍처 변경 필요 | |
| 공기 보조 수랭 (AALC, Air-Assisted Liquid Cooling) | – 랙 후면에 액체 라디에이터를 부착하여 공기 냉각 강화 – 장비 개조 불필요, 공랭식과 수랭식의 중간 과정 |
(2) 데이터센터 액체 냉각 메커니즘
| |
| 구분 | 메커니즘 | 세부 동작 방식 |
|---|---|---|
| 냉각 구간 | 랙/하드웨어 냉각 | – 데이터센터 전산실 내 CDU에서 액체(냉각수)를 순환시켜 Rack 내 서버 CPU/하드웨어의 열 흡수 |
| 액체(냉각수) 냉각 | – 데이터센터 빌딩 내 열 교환기와 전산실 내 CDU(Coolant Distribution Unit) 간 액체를 순환시켜 액체(냉각수)를 냉각 | |
| 응축, 열 배출 | – 외부 냉각 타워와 데이터센터 빌딩 내 열 교환기 간 액체를 순환시켜 냉각 타워에서 열기를 배출 | |
| 냉매 상태 | 단상 방식 | – 냉각수가 전체 공정에서 액체 상태로 유지 |
| 2상 방식 | – 냉각 시 기체로 변환되었다가 다시 액체로 변환 |
- 현재 운영중인 데이터센터는 대부분 공랭식 냉각을 전제로 설계 되었으므로 기존 시설을 개조해 AALC 또는 D2C 방식을 사용해야 하며, 새로 구축하는 데이터센터는 액체 냉각 시스템을 구현할 수 있도록 설계 필요
4. 데이터센터 액체 냉각의 한계점 및 개선 방안
| 데이터 센터 액체 냉각의 한계점 | 개선 방안 |
|---|---|
| – 물 등 냉매 유출 시 장비에 치명적 – 탄소 절대 배출량은 감소하지 않음 – 잦은 랙/장비 구성 변경으로 비효율화 | – 비전도성 액체를 사용하여 냉매 유출에 대비 – 폐열 재활용, 친환경 냉매 등 지속 가능 기술 적용 – 유체 역학 관점 AI 기반 수시 열기 순환 모델링 |
- 기존 데이터센터 전력 효율성 기준인 PUE(Power Usage Effectiveness)의 경우, 액체 냉각 방식 적용 시 분자와 분모가 모두 감소하기 때문에 TUE(Total-power Usage Effectiveness) 지표를 에너지 효율성 기준으로 사용 필요
[참고]
- VERTIV, Vertiv Master Class Korea 2024
- IT World, “지속 가능성과 AI 지원 모두 잡는다” 데이터센터 냉각 시스템의 현재와 미래
- sysgen, Liquid Cooling Solutions