글로벌 빅테크 기업들이 급증하는 인공지능(AI) 데이터 처리 용량을 확보하기 위해 경쟁적으로 데이터센터 증설에 나서면서 환경 문제가 불거지고 있다. AI 관련 데이터센터 가동을 위한 전기, 물 사용량이 급증하고 있어서다.
27일 국제에너지기구(IEA) 자료에 따르면 데이터센터와 전송망이 세계 전력 소비에서 차지하는 비중은 각각 최대 1.5%에 이르는 것으로 나타났다. 이를 합하면 브라질의 연간 이산화탄소 배출량과 맞먹는다.
지난 2022년에는 전체 전력 수요의 2%에 해당하는 460테라와트시(TWh)를 전 세계 데이터센터에서 사용했다. 2026년에는 데이터센터의 전력 소비량이 620~1천50TWh까지 늘 것으로 분석됐다. 특히 전 세계 8천여 개 데이터센터 중 약 33%가 있는 미국과 16%를 차지하는 유럽, 10%가 위치한 중국에서 에너지 사용량은 더 빠르게 증가할 것으로 전망됐다. 월가 대표 투자은행 모건스탠리는 2022년 수치를 기준으로 2027년에는 생성형 AI가 전 세계 데이터센터 전력 수요의 4분의 3 이상을 차지할 것으로 예상했다.
이 탓에 데이터센터는 '전기 먹는 하마'로 불린다. 데이터센터를 가동할 때는 섭씨 30도가 넘는 열이 발생하는데, 부품 손상을 막기 위해서는 이를 20~25도로 낮춰야 하기 때문이다.
IEA는 "AI 모델 하나를 훈련하려면 가정 100곳의 연간 사용량보다 많은 전기를 써야 한다"며 "거대언어모델(LLM)의 핵심인 그래픽처리장치(GPU)는 중앙처리장치(CPU)보다 전력 사용량이 많기 때문"이라고 말했다.
'전기 먹는 하마' 데이터센터에 몸살…곳곳서 규제 강화
데이터센터로 인한 에너지 소비가 많아지자 각국에선 최근 들어 규제에 나섰다. 현재 가장 많은 데이터센터가 몰려든 곳은 낮은 법인세가 강점인 아일랜드로, 국가 전력 소비의 5분의 1을 데이터센터가 차지하고 있다. 이곳에는 82곳의 데이터센터가 운영 중으로, 현재 14개가 건설 중이며 40개가 추가 승인된 상태다. 2026년에는 국가 전력 수요의 32%에 달할 것으로 예상됐다.
이에 아일랜드 당국은 지난해 겨울철 일시적으로 전력 공급을 중단하는 긴급 프로그램을 도입했다. 최근에는 엣지코넥스(EdgeConneX), 에퀴닉스(Equinix) 등 일부 데이터센터 운영사들의 더블린 신규 프로젝트 허가가 거부됐다.
미국 버지니아주와 독일에서도 최근 주거 지역 내 데이터센터 허가를 제한하거나 재생 에너지를 전력망에 공급하고 폐열을 재사용하도록 하는 등의 규제를 도입했다. 또 미국 최대 전력 공급망 운영 업체인 PJM은 지난해 12월 버지니아주에 50억 달러를 들여 송전망 증강에 나섰다. 데이터센터들이 들어서며 전력 전망이 불안정해지자 인프라 정비에 들어간 것이다.
냉각 방식 두고 '고민' 나선 기업들…친환경 에너지 사용도 '적극'
이같은 분위기에 일부 기업들은 에너지 사용량을 줄이기 위해 다양한 냉각 방식을 적용하고 있다. 현재까지 가장 많이 사용된 것은 데이터센터 안에 공기를 통과시켜 열을 식히는 방식인 '공랭식'이다. 하지만 에너지가 많이 들고 환풍기가 작동할 때 소음이 크다는 단점이 부각되면서 최근 새로운 방식들이 속속 도입되고 있다.
특히 액체 냉각 방식이 새로운 대안으로 주목 받고 있다. 공기 대신 액체를 흘리거나 액체 속에 데이터센터 서버를 담궈 열을 식히는 방식이다. 미국 서버 제조업체인 수퍼마이크로컴퓨터가 이 방식을 쓰는 대표적인 곳으로, 서버 배치 공간 효율성이 높아졌을 뿐 아니라 공기보다 최대 1천 배까지 열을 제거하는 효과를 얻은 것으로 알려졌다.
중국에선 바닷 속에 데이터센터를 집어 넣는 방안을 추진하고 있다. 차가운 바닷물이 서버의 열을 단숨에 식혀줄 수 있다고 판단해서다. 중국 하이랜더는 2025년까지 하이난 섬 인근 바다에 100개의 모듈을 배치할 예정인데, 규모가 축구장 13개(6만8천㎡)와 맞먹는다. 이를 통해 30초 안에 400만 개가 넘는 고화질 이미지를 처리할 수 있는 것으로 알려졌다. 전기 사용량은 연간 약 1억2천200만kWh가 절약될 것으로 보이는데, 중국 시민 16만 명의 평균 전기 사용량과 비슷하다.
미국 업체인 마이크로소프트도 해저 데이터센터를 구축하는 '나틱 프로젝트'를 지난 2015년부터 시작했다. 2018년부터 2년간 스코틀랜드 오크니섬 인근 바다에서도 해저 데이터센터를 시험 가동했는데, 36.5m 깊이에 864대의 서버를 흰색 원통 구조물에 넣어 설치했다.
다만 데이터센터의 냉각수 사용에 대해서도 논란이 많다. 데이터센터의 열을 식히는 등 AI 관련 수요로 인해 지표나 지하에서 사라지는 물의 양이 점차 줄어들고 있어서다.
현재 챗GPT-3가 10∼50개 질문에 답하려면 500㎖가량의 물이 필요하고, 성능이 향상된 GPT-4에는 물도 더 많이 들어가는 것으로 알려졌다. 데이터센터 가동 증가 속에 빅테크들의 물 소비 증가량은 2022년 기준 MS가 34%, 구글이 22%, 메타가 3% 등으로 집계됐다. 지금 같은 추세면 2027년까지 영국 연간 물 소비량의 절반 수준인 42억∼66억㎥의 물이 지구상에서 사라질 것으로 추산됐다.
캘리포니아주립대 리버사이드캠퍼스 연구진은 최근 발표한 네이처지 논문에서 "점점 심해지는 담수 부족 위기, 길어지는 가뭄, 빠르게 노후화되는 수자원 인프라 등과 관련해 AI 모델의 비밀스러운 '물 발자국'을 알아낼 필요가 있다"며 "지금이 이에 대응할 중요한 시기"라고 강조했다.
탄소 배출량을 줄이기 위해 친환경 에너지를 사용하고자 나선 기업들도 속속 나오고 있다. 특히 MS, 구글, 아마존 등 대형 하이퍼스케일러(대규모 클라우드 서비스 업체)들은 최근 풍력, 태양 에너지 등에 투자하고 나섰다. MS는 버지니아 데이터센터의 에너지 수요를 최대 35% 충당할 수 있는 '소형 모듈 원전(SMR)'을 짓겠다는 계획을 밝혔고, 미국 민간 핵융합 연구회사인 헬리온과도 전력 구매 계약을 체결했다.
아마존은 데이터센터에 사용되는 디젤 연료를 대체하기 위해 적극 나서고 있다. 아일랜드, 스웨덴을 시작으로 유럽 내 모든 데이터센터의 백업 발전기를 빠른 시일 내에 폐유로 만든 바이오 연료로 전환할 계획이다.
구글은 에너지 사용량 줄이기에 적극적이다. 미국 오리건주, 네브래스카주, 미국 남동부 지역에서 폭염, 혹한 등 날씨 변화에 맞춰 데이터센터의 전력망에 차질이 있을 경우를 대비해 에너지 사용량을 줄이는 방법을 시범적으로 시행 중이다. 번역 시 어휘 업데이트와 같이 긴급하지 않은 작업을 지연하거나 다른 위치의 데이터센터로 넘기는 식이다.
데이터센터 폐열 처리 방법 역시 속속 나오고 있다. 영국 스타트업 딥그린은 데이터센터에서 발생한 열로 수영장 물을 데우고, 수영장 물로 데이터센터를 식히는 시스템을 개발했다. 캐나다 스타트업 인피니디움 파워는 서버에서 만들어진 열기로 공기를 데워 이를 활용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식으로 데이터센터 운영 비용을 최대 50%정도 줄였다. 메타는 2020년부터 데이터센터에서 발생한 폐열로 인근 10만 가구에 지역 난방을 제공하고 있고, MS도 핀란드에서 같은 시스템을 구축할 계획이다.
바클레이즈 관계자는 "친환경으로 전환하는 것은 말처럼 쉬운 일은 아니다"며 "데이터센터 운영자와 관련 기업들은 앞으로 더 많은 재생 에너지를 생산하고 에너지 효율화 조치를 취하는 등 더 적극적인 역할을 수행해야 할 것"이라고 말했다.
AI 붐에 데이터센터 확충 가속…기후 위기 '빨간불'
이같은 분위기 속에서도 데이터센터를 유치하기 위한 각국 경쟁은 점차 달아오르고 있다.
아마존웹서비스(AWS)는 미국, 일본, 인도 등을 중심으로 데이터센터를 확충하는데 속도를 내고 있다. 지난달에는 미국 미시시피주에 100억 달러를 투자해 데이터센터 단지 두 곳을 건설할 계획을 밝혔고, 일본에선 5년간 2조3천억 엔(약 20조원)을 투입해 데이터센터를 증설하겠다고 발표했다. 지난해에는 인도에서도 클라우드 인프라 확대를 위해 2030년까지 130억 달러(약 17조원)를 투입키로 했다. AWS는 이미 2016년부터 2022년까지 인도에 37억 달러를 투자해 데이터센터 2개를 운영 중이다.
이에 맞서 구글도 미국 오리건주 포틀랜드 인근에 6억 달러를 투자해 다섯번째 데이터센터를 짓기로 했다. 구글은 2006년부터 이곳에서 데이터센터를 여러 개 운영하고 있다. 최근 영국에도 10억 달러를 투자해 런던 외곽에 데이터센터를 설립한다고 깜짝 발표했다.
마이크로소프트도 영국에 향후 3년간 32억 달러를 투입해 데이터센터를 확충키로 했다. 리시 수낙 영국 총리에 따르면 MS는 기계학습과 AI 개발의 핵심 기술인 최첨단 GPU를 2만개 이상 영국에 도입할 예정이다. 지난 15일에는 2년간 33억 유로(약 4조7천억원)를 들여 독일에 데이터센터를 짓기로 했다. MS가 독일에 진출한지 40년만에 최대 규모의 단일 투자다.
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업계에선 관련 시장이 급성장하고 있는 만큼 빅3 업체들의 데이터센터 증설 경쟁은 당분간 계속될 것으로 내다봤다. 작년 말 기준 세계 각국에 구축된 데이터센터는 1만여 개다. 시장조사기관 델오로는 오는 2027년까지 데이터센터와 관련한 전 세계 투자액이 5천억 달러를 초과할 것으로 봤다.
블룸버그통신은 "AI 컴퓨팅에 의해 촉발되는 기후 위험이 광범위하고, 화석연료에서 청정에너지 기반 전력으로 크게 변하지 않는 한 상황은 악화할 것"이라며 "대형 데이터센터 소유 업체들은 탄소 저감 등 기후 대응 목표를 갖고 있지만 AI 붐으로 이러한 목표 달성이 어려워지는 상황"이라고 지적했다.
