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[연재기고] 신일섭 버티브 상무

버티브 고밀도 데이터센터 냉각솔루션 ②
데이터센터 열관리시스템 진화 액침냉각 ‘주목’

4차 산업혁명이 가속화됨에 따라 AI, 빅데이터, 자율주행 등 첨단산업을 지원하기 위한 데이터센터의 서버부하는 늘어나고 있다.

이러한 데이터센터 부하증가에 보다 효율적으로 대응하기 위해 버티브(Vertiv)는 데이터센터 장비 및 인프라 공급업체 전반에 걸쳐 광범위한 개발작업을 진행해왔다.

지난 연재에서는 ‘데이터센터의 고밀도화에 따른 액체냉각의 필요성 확대’에 대해 알아봤다. 이어 ‘열관리시스템의 진화와 액침냉각’을 설명함으로써 액체를 활용한 데이터센터 냉각 효율화에 대해 들여다본다.

고밀도 랙 위한 액체냉각 기술
지난 몇 년 동안 공기를 통한 냉각시스템은 냉각을 열원에 더 가깝게 이동시키고 컨테인먼트를 사용함으로써 더 높은 열 밀도에 적응해왔다. 그러나 이러한 접근방식은 랙 밀도가 20kW 이상으로 증가하게 돼수익을 감소시킨다. 이에 따라 고밀도 랙의 냉각요건을 충족하기 위해 다양한 액체냉각기술이 등장했다.

리어(후면) 도어 열교환기는 20kW가 넘는 밀도를 관리할 수 있는 진보된 기술이다. 액체를 서버로 직접 가져오지 않지만 액체의 높은 열전달 특성을 활용하고 직접 액체냉각과 유사한 데이터센터 인프라를 사용한다.

패시브 설계로 서버 팬이 랙의 후면 도어에 장착된 열교환 코일을 통해 가열된 공기를 배출하며 새로운 공기가 서버로 전달되기 전 코일이 열을 흡수한다. 액티브열교환기에는 팬이있어 코일을 통해 공기를 강제 배기해 고밀도 랙에서 열을 제거한다. 이러한 시스템은 데이터센터 냉각에 대한 하이브리드 접근방식의 기초를 형성하며 여기에서 액체 및 공기냉각 시스템은 랙 밀도가 혼합된 환경에서 냉각시스템을 함께 지원한다.

D2C 냉각판은 보드의 발열 구성요소(CPU, GPU, 메모리 모듈 등) 위에 위치해 단일 콜드플레이트 또는 2단계 증발장치를 통해 열을 제거한다. D2C 냉각기술은 일반적으로 리어도어 열교환기보다 열 제거 용량이 더 높으며 많은 기업이 기존 및 신규서버와 통합할 수 있는 냉각판 기술을 제공한다.



열전달특성 극대화
액침냉각을 적용하면 랙의 서버 및 기타 구성요소가 비전도성 액체 또는 유체에 잠기게 되며 서버 내 팬을 포함해 공기냉각이 필요하지 않게 된다. 이를 통해 액체의 열전달 특성을 극대화하며 가장 에너지효율적인 형태로 액체냉각할 수 있다.

D2C 냉각과 마찬가지로 1단계 및 2단계 액침냉각시스템을 사용할 수 있다. 단상시스템에서 서버는 열 전도성이 있는 유전체 유체에 수직으로 설치된다. 열은 서버 구성요소와 직접 접촉해 냉각수로 전달되고 CDU에서 열교환기에 의해 제거된다. CDU를 탱크에 통합하는 ‘마이크로’ 액침탱크도 사용할 수 있어 고밀도 엣지애플리케이션을 위한 완벽한 독립형 냉각솔루션을 제공한다. 

2단계 액침냉각에서 서버는 적절한 IT케이스 온도를 생성할 수 있을 만큼 충분히 낮지만 열을 배출하는 과정에서 에너지소비를 줄일 수 있도록 높은 끓는점으로 설계된 비전도성 유체수조에 담가진다.

이러한 시스템에 사용되는 유체는 매우 비싸고 환경, 건강 및 안전상 우려가 있기 때문에 증기손실을 최소화하기 위한 2단계 침수시스템을 설계하는 것이 중요하다.

한 가지 방법은 액침탱크를 밀봉해 증기가 빠져나가는 것을 막는 것이다. 이 방법은 증기손실을 효과적으로 최소화하지만 밀폐된 장비에 접근하려면 미국 연방 대기청정법(Federal Clean Air Act) 섹션608에 설명된 액체 취급방법이 필요하므로 서버 유지관리가 복잡해진다.

다른 접근방식은 IT부하가 증가 또는 감소함에 따라 증발량을 조절하는 대기압제어다. 벨로즈는 호기·흡기 동안 증기를 흡·탈착하기 위해 증기 및 활성탄을 응축하는 용도로 저온 응축기와 함께 사용된다. 이 접근방식은 수조에서 서버에 대한 접근을 용이하게 하지만 복잡성을 높이고 증기손실만 최소화할 수 있다.

에너지효율 향상·물리적 제한 축소
30kW 이상 초고밀도 랙을 배치하려는 시설은 액체냉각이 필수적이다. 시스템 구성방식이나 최적화 여부와 관계없이 공기냉각은 초밀도 IT시스템의 신뢰성을 유지하는 데 필요한 열 제거 용량을 제공할 수 없다. 이는 핵심 데이터센터뿐만 아니라 엣지에서도 마찬가지다.

랙 밀도가 액체냉각이 필요한 임계값까지 점차적으로 상승하는 경우 시설운영자는 액체냉각으로 전환함으로써 얻을 수 있는 이점을 공기냉각시스템과 비교를 통해 효과적으로 관리가 가능한 부분에 대해 검증해야 한다. 일부 작업자는 IT랙에 액체를 사용하는 것을 우려할 수 있으나 오늘날의 액체냉각 인프라는 데이터센터 작동 시 누수가능성과 그로 인한 여파를 최소화하도록 설계됐다.

액체냉각시스템은 원하는 신뢰성을 제공할 뿐만 아니라 IT성능 상 이점도 제공한다. 공기냉각 시 CPU 케이스 온도가 최고 안전작동 온도에 가까워지면 과열을 방지하기 위해 CPU 성능을 제한한다. 반면 액체냉각을 통해 밀집된 시스템의 과열을 예방할 수 있으며 최대 전압 및 클럭 주파수에서 지속적으로 작동할 수 있다.

또한 액체냉각은 공기에 비해 열 전달 특성이 더 높고 데이터센터 및 서버를 통해 공기를 이동하는 데 필요한 팬이 제거돼 상당한 에너지절감 효과를 얻을 수 있다. 액체냉각에 필요한 펌프는 동일한 냉각을 달성하는 데 필요한 팬보다 적은 전력을 소비한다. 데이터센터의 에너지소비를 줄이고 전력사용효율성(PUE)을 1.0 가까이 낮출 수 있을 뿐만 아니라 열을 재사용해 난방수요를 줄이는 보다 효과적인 접근방식을 제공한다.

액체냉각을 통해 높아진 밀도 덕분에 시설은 기존 데이터센터 공간을 더 잘 사용할 수 있으므로 확장이나 신축이 필요하지 않으며 더 작은 면적의 시설을 만들 필요가 없다. 또한 물리적 공간이 제한된 곳에서도 처리집약적인 엣지 애플리케이션을 지원할 수 있다.



액체냉각 인프라 솔루션 제공
현재 점점 더 많은 기업에서 경쟁 우위를 확보하기 위해 사용하는 애플리케이션을 지원하려면 공기냉각의 물리적 한계를 초과하는 고밀도 처리능력이 필요하다.

액체냉각은 공기냉각보다 몇 자릿수나 더 높은 열 전달 용량을 제공하며 코어와 엣지에서 처리 집약적인 애플리케이션을 지원하기 위해 점점 더 필요해질 것으로 전망된다.

미국 냉난방학회(ASHRAE)는 하이브리드 모델 공랭식 및 수냉식 데이터센터와 비교해 공랭식 데이터센터의 소유비용 상세분석을 실시한 바 있다. 분석보고서에서는 많은 변수가 총소유비용(TCO)에 영향을 미칠 수 있는 반면 ‘액체냉각은 높은 밀도, 향상된 자유로운 냉각방식의 사용, 향상된 성능 및 향상된 W당 성능을 통해 TCO를 개선할 수 있는 가능성을 창출한다’고 밝혔다.

버티브는 완전한 액체냉각 시설의 설계와 기존 공냉식 데이터센터의 성공적인 액체냉각 도입 두 가지 모두를 안전하고 효과적으로 지원할 수 있는 완전한 인프라솔루션을 제공하고 있다. 데이터센터 액체냉각 솔루션에 대한 자세한 내용은 버티브코리아에 문의하면 된다.