점점 뜨거워지는 데이터센터, 발열 잡아야 이익률 높인다

생성형 인공지능(AI)이 전 산업에 열풍을 일으키며 데이터센터 내 발열 관리가 주목받고 있다.

중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU) 등 고성능 장비에서 발생는 열로 인해 전체 시스템이 중단될 수 있는 만큼 데이터센터에서 쓰이는 전력의 절반 가까이가 장비 냉각에 쓰인다.

얼마나 효율적인 냉각 방법을 사용하느냐에 따라 기업의 이익규모가 달라지는 셈이다. 자연스럽게 AI 성능 경쟁 못지않게 냉각기술에 대한 고민도 치열해지고 있는 추세다.

슈나이더 일렉트릭 코리아 시큐어파워 사업부 심현보 매니저는 각 데이터센터의 특성에 따라 적합한 쿨링 시스템을 효율적으로 운영함으로써 에너지를 절감하는 것이 중요하다고 조언했다.

이와 함께 다양한 규모의 데이터센터에서 에너지 효율을 극대화시키고 안정성을 향상시킬 수 있는 냉각 솔루션을 소개했다.

다음은 심현보 매니저와의 일문일답.

Q. 실제 데이터센터에서 열을 식히기 위해 발생하는 비용 규모는 어느 정도인가?

심현보 매니저: 데이터센터는 24시간 안정적인 가동이 필수적이며 이에 따른 전력 소비가 상당하다. 각 데이터센터의 환경과 규모, 시스템 등에 따라 전력 수요와 비용 등이 상이하지만, 평균적으로는 총 사용 전력의 약 45%가 냉각에 사용된다.

Q. 데이터센터 등 IT장비에서 냉각이 중요한 이유는 무엇인가?

A: 열로 인해 장비의 성능 저하, 오류 발생, 중단, 고장 등의 문제를 초래할 수 있다. 특히, 데이터센터는 24시간 안정적인 가동이 필수적이며, 서버, 스토리지 등 IT 장비들이 밀집되어 작동되기 때문에 상당한 열을 발생시킨다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2022년 전 세계 데이터센터에서 사용한 전력 소비량은 전체 전력 수요의 2%에 해당하는 460TWh(테라와트시)였으나, 2026년에는 1000테라와트시로 두 배 이상 증가할 것으로 예상된다고 밝혔다. 따라서 장비 및 시설 내 온도를 유지하는 냉각 솔루션으로 장비가 최적의 상태에서 안정적으로 작동하는 것이 중요하다.

Q. 이전에는 데이터 센터의 온도를 18도 수준으로 낮춰야 했지만 지금은 30도 정도까지 올려도 될 정도로 안정성이 높아졌다. 냉각을 위한 비용도 그만큼 줄어들지 않았나 싶다.

A: 안정성이 높아진 것은 사실이다. 그러나 인공지능(AI) 확산 등에 따라 서버의 성능이 업그레이드되고, 각 랙에서 분출되는 발열량의 밀집도가 훨씬 높아졌다. 이로 인해 데이터센터에 요구되는 냉각 온도가 과거 대비 더 높아졌음에도 불구하고, 서버의 발열량 증가로 인해 쿨링에 필요한 전력량은 낮아지지 않았다.

Q. 국내외 데이터센터의 냉각 시장 규모는 얼마나 되며 앞으로 전망은 어떻게 보는가.

A: 데이터센터는 사용하는 전력의 절반 이상을 서버 냉각에 사용할 정도로 발열 관리가 중요하다. 업계에 따르면 데이터센터 냉각 시장은 매년 20~30% 성장할 것으로 전망되며, 5년 안에 40조원 규모로 확대될 것으로 보인다. 글로벌 데이터센터는 국내 대비 약 36배 규모로 성장할 것으로 예상된다.

최근 AI 데이터센터 산업이 급속히 성장하면서 고효율의 냉각 시스템 수요 역시 늘어나고 있다. 이에 기존 공랭식뿐만 아니라 물을 사용하는 수랭식, 냉각유를 사용하는 고성능 액침냉각 시스템 등이 요구되는데, 업계에 따르면 수랭식·액침냉각의 보급률이 올해 23%에서 2026년 57%로 높아질 것으로 예측된다고 밝혔다.

Q. 기존 공랭식을 비롯해 수냉식, 액침 냉각 등 다양한 냉각 방식이 제시되고 있다. 이러한 방식은 어떤 장단점이 있는가.

A: 기존 데이터센터는 대부분 CPU와 서버를 공랭식 시스템만으로 운영해 왔지만, 고밀도 데이터센터에 AI 워크로드가 계속 증가함에 따라 액체 냉각을 포함한 새로운 냉각 방식의 필요성이 커지고 있다.

CPU의 전력 소모량은 400와트인데 반해, GPU의 전력 소모량이 700와트에 달하기 때문에 기존 냉각 시스템으로 AI에 사용되는 매우 뜨겁고 전력 소모가 많은 프로세서를 감당하기에 역부족이다. 이에 공기 냉각 방식보다 열을 더 효율적으로 전달하는 액체 냉각 방식, 즉 수랭 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.

서버의 발열량이 낮을 때는 일반적으로 기존의 공랭식 시스템을 제안하며 설계와 설치가 간단하고 초기 비용이 낮아 시스템 확장이 쉽다. 아직 국내에서는 전산실에 물(수랭)이 들어가는 것에 대해 예민한 부분이 있기 때문에 유리한 면이 있지만, AI 데이터센터와 같은 고밀도 환경에서는 효율성이 떨어지고 더 많은 공간과 전력이 필요할 수 있다.

반대로 서버의 발열량이 높아진다면 수랭식 시스템을 제안한다. 상대적으로 열 전달 효율이 매우 높고 에너지 절약 효과가 있으며 공간을 차지하는 규모가 작지만, 우선 초기 설치 비용이 높고, 유지보수가 복잡해 설계 변경이 필요할 수 있다.

Q. 최근 액침 방식이 많이 주목받는 추세다. 어떻게 데이터센터에 적용하는 것이 효율적일까?

액침냉각은 뜨겁게 열을 내는 전자기기를 전기가 통하지 않는 액체 속에 통째로 담가 식히는 방식으로, 전기가 통하지 않고 열 저항이 낮은 특수 액체를 활용해 장비의 열을 흡수하는 구조다. 최근 데이터센터 산업에서 높은 에너지효율과 장비 수명 연장 등의 혜택으로 많은 주목을 받고 있다.

그러나 모든 데이터센터에 액침 냉각 방식을 적용하는 것은 효율적이지 않다. 우선 액침 냉각 시스템의 초기 설치 비용이 매우 높아 소규모 데이터센터에게는 큰 부담이 될 수 있으며, 기존의 데이터센터 설비를 액침 냉각에 맞게 변경하려면 전용 장비와 케이스가 필요하기 때문에 유지보수와 관리가 더 복잡하다. 환경과 조건을 충족하더라도 모든 데이터센터가 해당 기술을 채택할 수 있는 것은 아니다. 데이터센터의 구조, 용도, 설치 환경에 따라 적합성이 달라질 수 있다.

Q. 효율적으로 데이터센터를 냉각하기 위해선 어떤 방안이 필요한가?

A. 슈나이더 일렉트릭은 각 데이터센터에 적합한 쿨링 시스템을 효율적으로 운영함으로써 에너지를 절감의 중요성을 강조하고 있다. 이를 위해 우선 냉각기 및 에코노마이저 설비 등 데이터센터 냉각의 효율을 향상시키기 위한 통합적인 솔루션을 제안한다.

안정적인 냉각을 위해서는 고밀도 장비를 위한 정밀 냉각 유닛을 사용하여 습도와 열을 효율적으로 제거하고, 데이터센터의 온도를 최적의 상태로 유지하는 것이 가장 중요하다. 또한, 장비의 전략적 배치와 따뜻하고 차가운 통로를 구성해 내부 공기를 재활용하는 에어 플로우 관리 시스템을 통해 공기 흐름을 최적화하여 장비의 과열을 방지하고 냉방 효율을 높여야 한다.

운영자는 데이터센터의 전력 및 온도를 실시간으로 모니터링하고 스마트 시스템을 통해 냉각 과정을 자동화하여 에너지 효율을 관리하는 것이 유리하다.

슈나이더 일렉트릭은 에너지 효율을 관리하는 쿨링 옵티마이저(Cooling Optimizer) 솔루션도 제공하고 있다. IT 장비의 온도를 측정하는 센서와 모니터링 소프트웨어로 구성되어, 데이터센터의 냉각 전력 사용량 및 탄소 배출량을 절감할 수 있다.

Q8. 이 밖에도 슈나이더 일렉트릭은 어떤 냉각 솔루션을 보유하고 있는가.

A: 우리는 에너지 효율을 극대화시키고 안정성 향상에 도움을 주는 다양한 쿨링 솔루션을 선보이고 있다. 프리쿨링 냉동기(Free Cooling Chiller)는 실외 공기를 활용해 간절기나 겨울철에 압축기 사용을 최소화하고 팬과 펌프를 통해 냉수 온도를 조절하는 공랭식 냉각 솔루션이다. 이를 통해 전력사용효율성(PUE)을 1.2까지 낮출 수 있어 연간 에너지 사용량과 데이터센터 운영비용(OPEX)을 절감할 수 있다,

벽 자체를 팬으로 만들어 효율적인 쿨링을 제공하는 빌트인 타입의 팬 월(Fan Wall)은 200kW에서 최대 500kW까지 전력을 수용할 수 있으며, IT 전산실과 기계실을 구분해 사용할 수 있어 보안 유지에도 적합하다.

슈나이더 일렉트릭은 데이터센터 전력 모니터링과 온도 측정을 통해 에너지 효율을 관리하는 쿨링 옵티마이저(Cooling Optimizer) 솔루션도 제공한다. ‘쿨링 옵티마이저’ 솔루션은 지능형 냉각 제어를 통해 에너지를 절약할 수 있도록 돕는다. 쿨링 옵티마이저는 IT 장비(랙)의 온도를 측정하는 센서와 이를 모니터링하는 소프트웨어(

데이터센터의 쿨링 효율을 극대화할 수 있는 컨테인먼트 시스템 넷쉘터 아일 컨테인먼트(NetShelter Aisle Containment)도 지원한다. 데이터센터 내부의 서버가 내뿜은 뜨거운 공기와 차가운 공기의 혼합을 감소시켜 냉각 효율을 향상시키는 공기 차폐 장치다.

이를 이용하면 뜨거운 공기는 서버의 뒤쪽으로, 차가운 공기를 서버의 앞쪽으로만 흐르게 유도해 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다. 이를 통해 냉각 에너지 효율을 20% 이상 증가시킬 수 있으며, 팬 에너지를 최대 40%까지 절약할 수 있다.

Q. 슈나이더 일렉트릭은 어떤 기준에 따라 고객에게 맞춤 솔루션을 제시하는지 궁금하다.

A: 국내 데이터센터는 환경과 규모, 용도 등에 따라 적합한 솔루션이 천차만별이다. 슈나이더 일렉트릭은 각 데이터센터의 종합적인 면을 측정하여 에너지 효율을 최적화할 수 있는 솔루션을 제시하고 있다. 데이터센터 서버의 밀집도 혹은 발열량 등에 따라 필요 솔루션이 달라질 수 있다.

Q. 국내에서도 슈나이더 일렉트릭의 솔루션을 활용한 사례가 있는지?

A. 데우스시스템즈와 협업한 광주과학기술원(GIST) 엣지 데이터센터가 대표적이다. 슈나이더 일렉트릭은 효율적인 인프라 운영 및 안정적인 전력 공급을 위해 슈퍼컴퓨팅 센터 랙(선반) 인프라와 전원분배장치(PDU)를 설치했다.

슈나이더 일렉트릭 이지랙 PDU는 표준 랙마운트 규격 기반의 엣지 인프라나 고밀도 데이터센터 등 다양한 환경에서 활용 가능해 높은 부하의 전력량을 안정적으로 공급할 수 있고, 효율적인 인프라 운영을 위해 모니터링 기능을 제공한다. 또한 소프트웨어 측면에서 ‘데이터센터 엑스퍼트’를 적용해 인프라 전반을 통합 및 관리한다. 전원분배장치가 네트워크에 상시 연동되어 있기 때문에 엣지 컨트롤 단계에서 전력 사용량 등 각종 정보를 취합한다.

이 밖에도 냉각 솔루션이 적용된 국내 데이터센터가 몇 군데 있고 현재도 계속 관련 레퍼런스를 구축하는 단계다.