점점 뜨거워지는 AI 데이터센터, 액침 냉각으로 식힌다

인공지능(AI)의 발전 속도는 눈부시다. 대규모 언어 모델(LLM)과 생성형 AI는 산업 전반의 판도를 바꾸며 새로운 기회를 열어주고 있다. 그러나 그 혁신의 뒤편에는 ‘발열’이라는 물리적 한계가 도사리고 있다.

AI의 두뇌 역할을 하는 GPU, CPU 등 반도체가 고성능 연산을 지속하는 순간, 엄청난 열이 발생하기 때문이다. 이 열을 제어하지 못하면 속도를 높이기는커녕 성능 저하와 장비 손상으로 이어진다.

액침냉각, 공랭식 한계 뛰어넘다

최동훈 GRC 이사는 이 같은 문제의 해답으로 ‘액침냉각’을 지목한다. 공기로 발열을 제어하는 ‘공랭식’ 기술이 한계에 다다랐기 때문이다.

최 이사는 “냉각 시스템은 오작동률이 낮은 게 중요한데, 공랭식은 그런 부분에서 좀 약하다”며 “서버가 공기 안에서 돌면 먼지 등 이물질이 쌓일 수 밖에 없기 때문이다. 공기가 없는 곳이 가장 좋다”고 말했다.

아울러 “서버의 발열이 심해지며 공랭식을 계속 활용하기 힘들어졌다”며 “액체를 사용하는 수랭식이 더 적합하고, 특정 반도체만을 식히는 게 아니라 보드까지 전부 액체에 담구는 액침냉각이 발열을 제어하는 데 가장 효과적이다”라고 설명했다.

액침냉각은 발열이 심한 서버를 비전도성 액체에 직접 담가 냉각하는 방식이다. 기존 공랭식보다 훨씬 높은 열 전달 효율을 제공한다. 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있어, AI 인프라를 구축하는 오늘날 관심이 집중되는 기술이다.

전력 효율 급상승...”3~5년 이내 상용화될 것”

자원 낭비도 훨씬 줄어든다. 공랭식은 데이터센터 내 온도를 낮춰 서버를 차갑게 식히는 방식이다. 이 때 칠러의 온도를 낮추기 위해 상당량의 물이 필요하다. 물이 열 교환기를 거쳐 데이터센터 내부에 찬 바람을 불어넣는 원리다. 액침냉각은 서버를 직접 액체에 담구는 만큼 이 과정이 필요하지 않다. 물이 낭비되지 않으며, 별도의 냉각 과정이 필요없어 에너지 효율이 훨씬 높다.

최 이사는 “기존 공랭식은 데이터센터 쿨링에 전체 전력 중 30~40%를 사용했다”며 “액침냉각이 적용될 경우 이게 3%까지 줄어든다. 남은 전력을 서버로 돌릴 수 있어 파워 역시 올릴 수 있다”고 설명했다.

실제 지표로도 액침냉각의 효율성을 확인할 수 있다. 데이터센터의 효율은 PUE(전력효율지수)를 통해 확인 가능하다. PUE는 데이터센터 전체 전력 소비량 중 IT 장비 전력 소비량을 측정해 계산하는 지표다. 1.0에 가까울수록 효율성이 높다. 일반적인 공랭식 데이터센터의 PUE는 1.5~2.0 수준이다. 이 때 데이터센터 전체 전력 중 약 40%가 냉각 장치에 사용된다. 반면, 액침냉각은 1.03에 불과하다.

최 이사는 “싱가포르에서는 데이터센터 PUE가 1.2 미만으로 설계를 해야만 한다는 제한을 두고 있다”며 “자원에 한계가 있기 때문에, 앞으로는 공랭식만으로 서버를 구축하는 건 어려울 것”이라고 내다봤다.

이에 글로벌 업체들은 액침냉각 방식을 수용한 데이터센터를 구축하고 있다. 현재 시장 주류 방식인 공랭식, 액체냉각과 더불어 액침냉각 인프라까지 한번에 탑재한 데이터센터를 짓는 것이다.

그는 “최근에 관계사들을 만나보면 기술 전반을 활용할 수 있는 데이터센터 구축으로 방향을 잡고 있다”고 말했다. 그러면서 “3~5년 이내로 액침냉각이 상용화될 것”이라고 내다봤다.