4차 산업혁명이 눈앞으로 다가왔다. 1차 산업혁명은 증기기관을 통한 기계적 혁명이었고 2차 산업혁명은 전기의 힘을 이용한 대량생산의 시작이었다. 3차 산업혁명은 컴퓨터를 통한 자동화였는데 4차 산업혁명은 무엇일까?

4차 산업혁명이란 생산기기와 생산품간 상호소통 체계를 구축하고 전체 생산과정의 최적화를 구축하는 산업혁명을 말한다. 미국에서는 AMI(Advanced Manufacturing Initiative), 독일과 중국에서는 ‘인더스트리 4.0’이라고도 한다.

이전까지의 공장자동화는 미리 입력된 프로그램에 따라 생산시설이 수동적으로 움직이는 것을 의미했지만 4차 산업혁명에서 생산설비는 제품과 상황에 따라 능동적으로 작업 방식을 결정하게 된다. 지금까지는 생산설비가 중앙집중화된 시스템의 통제를 받았지만 4차 산업혁명에서는 각 기기가 개별공정에 알맞은 것을 판단해 실행한다.

몇 년 전 미국 뉴욕타임즈에 흥미로운 기사가 실렸다. 한 대형마트에서 어느 가정에 ‘아기 옷과 유아용품 할인쿠폰’을 발송했다. 고등학생 딸을 둔 아버지는 “내 딸에게 임신을 부추기는 것이냐”라며 분개했지만 며칠 뒤 딸이 임신했다는 소식을 듣는다.

부모도 모르는 딸아이의 임신여부를 대형마트가 어떻게 알았을까? 딸은 사용하던 로션을 갑자기 무향로션으로 바꾸고 안 먹던 ‘미네랄 영양제’를 샀다고 한다. 대형마트는 고객 데이터베이스를 활용해 ‘임신 가능성’이 있는 고객들에게 앞으로 필요할 임신용품을 추천한 것이다.

우리나라도 머지 않아 SNS로 고객이 필요한 상품을 인공지능이 알아서 추천해주는 날이 올 것이다.
이러한 4차 산업혁명에는 인공지능(A.I: Artificial Intelligence), 사물인터넷(IoT: Internet of Things), 클라우드 서비스(Cloud service), 빅데이터(Big data) 등 4대 요소기술이 손꼽히고 있다.

이세돌을 이긴 알파고에 의해 전 세계는 인공지능 발달에 깜짝 놀랐고 사물인터넷은 가전시장의 필수요소로 자리잡으며 대기업들의 경쟁적인 투자를 유발하고 있다. 앞으로 5년 안에 모든 공공기관의 PC(Personal Computer)가 사라지고 클라우드 서비스를 활용, 개인 식별코드만 있으면 언제 어디서든 업무가 가능해질 것이라는 전망이 나오고 있다.

특히 빅데이터는 아직까지는 기업의 가치와 생산성을 향상시키는 요소로 인식되고 있지만 몇 년 후에는 기업이 살아남느냐 도태되느냐 하는 생존여부를 판가름 내주게 될 것이다.

이러한 4차 산업혁명의 중요 요소들은 모두 데이터와 이를 저장하는 서버로 귀결된다. 이러한 서버들을 보관하고 365일 24시간 운영하고 있는 곳이 데이터센터다. 다시 말해 데이터센터는 4차 산업혁명의 가장 기본이 되는 출발점이라고 할 수 있어 그 중요성은 점점 더 커지고 있다.

냉방설비 E절감 잠재력 커
국내의 데이터센터는 2009년 70개가 설립됐지만 지난해 6월 기준 143개로 두 배 이상 증가했다. 우리나라를 비롯해 전 세계의 IT산업이 급물살을 타고 있어 데이터 증가량은 2020년까지 가파르게 상승할 전망이다. 또한 이를 안전하게 보관하는 데이터센터의 숫자도 자연히 늘어날 것이다.

전자기기의 집합체인 데이터센터는 전력소모량이 높고 서버들로부터 뿜어져나오는 발열량에 대응하기 위해 사용되는 냉각시스템의 전력소비도 상당히 높은 비율을 차지한다. 실제로 데이터센터 에너지소비량의 35% 이상, 많게는 50% 가까이가 냉각설비에 사용되고 있다.

데이터센터의 가장 중요한 임무는 ‘안정적이며 지속적인 IT서비스 제공’이다. 돌발상황에서도 시스템의 안정성을 유지할 수 있는 백업시스템과 무정전시스템 구축이 중요하게 부각되고 있다.

하지만 지구온난화 등 환경문제와 저에너지 고효율에 대한 요구와 관심 또한 높아지고 있는 상황에서 안정성만을 추구해 과대한 설비와 비용을 적용하는 것은 지양해야 할 점이다. 이러한 부분에서 투자비와 유지비 절감, 안정적 IT 서비스 지속은 서로 상충되는 요소일 수 있다.

특히 데이터센터의 IT 전산장비가 발달하고 그 규모가 늘어남에 따라 발생하는 열을 처리하기 위한 공조설비도 비대해지고 있다.

미국의 업타임 인스티튜트(Uptime Institute, Inc.)에서 조사한 결과에 따르면 매년 IT장비의 발열부하는 증가하는 추세다. 이에 따라 같은 규모라도 단위면적당 처리해야 할 열부하가 증가하고 있으며 이는 곧 데이터센터에서 냉방에너지가 차지하고 있는 비중이 커지고 있다는 것을 의미한다.

메인장비에 해당되는 IT장비나 전력·통신, 조명 및 기타 장비는 에너지절감에 대한 여지가 많지 않다. 하지만 냉방설비의 경우 에너지절약적 설계 및 운영을 한다면 많은 에너지를 절약할 수 있다. 초기단계부터 건축주가 원하는 수준을 파악해 상응하는 성능의 데이터센터를 설계하고 그 설계의도대로 운영될 수 있도록 시운전 및 시설관리자에 대한 교육을 수행한다면 저비용, 고효율 데이터센터 건립이 가능할 것이다.

높은 현열부하, 항온항습기 필수
일반 주택 및 사무용 건물과 데이터센터의 차이점은 사람이 상주하느냐, 24시간 무정전 운전하느냐의 여부일 것이다. 사무실이나 사람이 생활하는 공간은 사람의 활동에 의해 많은 습기가 발생함에 따라 잠열비율이 35%를 차지하는데 반해 데이터센터의 IT장비는 열을 발산하지만 습기는 발산하지 않아 잠열이 10%, 현열이 90%로 높은 현열부하가 특징이다.

전산실 부하의 일시적 증가, 공기흐름 변동에 따른 온도변화 등은 일시적인 온도상승으로 상대습도의 변화를 가져온다.

그러나 공기 중에 포함된 절대적인 물의 양을 나타내는 절대습도는 변하지 않고 노점온도는 상대습도의 변화와는 상관없이 일정하게 유지된다. 데이터센터 냉방에 사용되는 항온항습기는 상대습도와 절대습도의 관계가 성능의 중요한 결정요소다.

또한 365일 24시간 항시 가동이라는 특성 상 실제 운영시간이 연중 2개월 남짓하는 에어컨으로는 감당하기 힘들다.

특히 ‘안정적이며 지속적인 IT서비스 제공’ 임무를 수행하는 데이터센터는 어찌보면 사람보다 더 까다로운 관리대상이다. 잠시동안 전력공급 중단이 일어나면 기업의 막대한 손해를 초래하기 때문이다.

‘비상시 열원중단에 따른 데이터센터의 냉각시스템 열성능 평가에 관한 사례연구(삼성물산 조진균, 강호석, 2016)’는 최근 완공된 A 데이터센터의 사례분석을 통해 20MW급 냉열원 시스템의 비상상황을 가정, 냉수 온도변화와 순차적으로 영향을 받는 IT서버룸의 온도변화를 분석했다. 열원공급 중단 시 2차측 냉수순환만으로 IT서버룸의 실내환경이 얼마간 유지되는가를 검토했다.

ASHRAE T.C 9.9 허용온도를 만족시키기 위한 항온항습기 유닛 취출온도 범위는 최대 24℃이며 공기온도 유지가 가능한 허용 냉수인입온도 범위는 17℃다. 해당하는 냉수 인입온도에 도달하는 시간은 열원중단 후 약 320초간이며 그동안은 정상운전이 가능하다. 냉수인입온도 18℃, 취출공기온도 25℃부터는 코일용량이 부하량보다 작아져 급격한 온도상승이 발생, IT장비의 심각한 장애원인이 된다. 열원 중단 시 300초 안에 즉각적인 백업시스템이 가동돼야 한다.

이에 따라 데이터센터는 예상치 못한 사고에 대비한 안전설비들을 충분히 갖춰야 하며 시설관리자의 운영교육 또한 철저히 이뤄야 한다. 만약 이에 대한 대비가 제대로 이뤄지지 못할 경우 안정적이며 지속적인 IT서비스 제공이 불가능하게 된다.

전자기기업체인 에머슨일렉트릭에서 2016년 1월에 발행한 ‘Cost of data center outages’ 보고서에 따르면 정전된 피해사례가 있는 데이터센터 63곳을 조사한 결과 지난 2010년에 비해 2016년 발생한 사고 피해금액이 38% 증가했으며 1개 데이터센터에 정전사고가 발생했을 때 피해금액은 8억6,000만원이었다.

정전의 가장 큰 원인은 UPS시스템 고장으로 나타났는데 초기 무정전 시스템 구축 시 신뢰성에 대한 검증이 부족했기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 건립 초기단계부터 체계적인 절차에 따른 장비 및 시스템의 철저한 검증과 시운전 테스트가 필요하다. 다음원인은 사고 및 실수에 의한 정전이었는데 이러한 사태에 대비한 매뉴얼 확보와 시설관리자에 대한 교육이 필수적인 것을 알 수 있다.

안정성·E효율 두 마리 토끼 잡아야
Green IT란 환경을 의미하는 ‘녹색’과 ‘정보통신기술’의 합성어로 IT부문 녹색화와 IT융합에 의한 녹색화를 포괄하며 환경보호 및 에너지비용 절감을 목적으로 한다. 이러한 그린화 솔루션 중 하나가 그린 데이터센터다.

지구상에 한정된 에너지와 환경보호를 고려하며 데이터센터의 신뢰성과 안전성, 성능에 영향을 주지 않으면서 최소의 인프라설비 투자 및 최소의 운용비용으로 최대 효과를 내면서 친환경적인 운용을 가능케 하는 차세대 개념의 데이터센터다. 또한 이를 통해 비용절감 효과를 이끌어낼 수 있어야 한다.
글로벌 리딩그룹들은 이러한 그린데이터센터 정책을 적극적으로 펼치고 있다.

마이크로소프트는 최근 ‘4세대 모듈러 데이터센터’를 발표했다. 서버·네트워크 구성이 완전하게 모듈화된 컨테이너로 전력 및 냉각시설을 모두 완비한 형식이다. 마이크로소프트의 클라우드 컴퓨팅의 핵심개념 중 하나인 ‘필요에 따라 무한한 확장을 가진 컴퓨팅’이라는 이상을 실현하기 위한 하나의 노력으로 해석된다. 또한 데이터센터의 효율적인 관리를 위해 모니터링 프로그램을 개발하고 탄소배출량, 온도 현황, 데이터센터 효율성 측정 등을 통해 효율적인 데이터센터 운영을 하고 있다.

구글은 친환경적이며 에너지효율성을 높이는 기술과 에너지를 자사의 데이터센터에 적극적으로 도입하고 있다. 특히 신재생에너지를 이용한 데이터센터 구축에 선도적인 역할을 하고 있으며 풍력, 수력, 태양에너지 등 사용 가능한 신재생에너지 등을 가장 활발하게 이용하고 있다.

최근 ‘Google datacenter efficiency summit’에서 발표된 구글 데이터센터의 가장 큰 특징은 모듈화된 구조로 컨테이너박스 안에 서버와 스토리지를 넣는다는 것이다. 구글은 이런 형태의 시설을 활용했는데 2005년 후반부터 실제 45개의 컨테이너에 약 4만5,000대의 서버가 들어있으며 컨테이너당 전력 소비량은 250kW이다. 또한 외기 냉각을 이용해 에너지효율적인 운영을 하고 있다.

후지쯔는 ‘후지쯔 도쿄 제2시스템센터’의 건물 설계단계에서부터 그린데이터센터에 대한 개념을 고려해 설계했다. 제2센터는 전력 소모량 중 가장 큰 비중을 차지하는 하드웨어(서버, 스토리지) 전력량과 하드웨어로 인한 내부온도 상승을 막는 항온시설 전력량을 낮추는 데 초점을 맞췄다.

80%의 개구율을 보이는 랙 도어 및 상부 커버와 열기가 이동하는 최상부 공간에 열기재순환 방지판 설치 등을 통해 냉각 효율성을 높였다. 또 다른 특징은 기계실 평균 온도를 25~26℃로, 경보발령 온도를 28℃로 설정해 일반적인 데이터센터에 비해 3~4℃ 높은 온도로 운영, 에너지효율을 높이고 있다.

낮은 PUE로 효율적 운영
데이터센터를 평가할 때 가장 많이 사용되는 지표는 PUE(Power Usage Effectivenss)로 데이터센터 총 사용전력대비 IT기기 사용전력이다. 전체 전력사용량 중 IT기기의 비중이 높아지면 냉방이나 기타 에너지소모량을 줄이는 경우가 되므로 1.0에 근접할수록 효율적인 데이터센터 운영이 가능해진다.

각국 데이터센터의 평균 PUE를 살펴보면 △미국 1.75 △일본 1.9 △영국 2.2 △한국 2.3 △싱가포르 2.39 △중국 2.5로 조사됐다. 선진국들의 평균 PUE는 1.75~1.9이나 최근 신축 데이터센터는 1.5 이하를 목표로 구축되고 있다.

PUE Best Practice는 가트너 및 각종 미국 연구소 발표를 기준으로 평균 1.3을 요구하고 있으며 국내 신축 대규모 데이터센터 중 약 10여개의 데이터센터가 1.8 이하로 설립되고 있다.

최근에는 PUE 1.5이하 목표로 국내 데이터센터의 개념설계를 하고 있다.

다음으로 세계적인 인증기관인 미국의 업타임 인스티튜트(Uptime Institute, Inc.)가 데이터 센터의 가용성·안정성·무중단유지보수성을 평가하기 위해 규정한 등급기준인 Tier가 있다.

Tier 인증은 데이터센터의 중요한 설비인 건축, 전기, 기계 등에 대한 구성수준과 공급계통을 TierⅠ부터 Ⅳ(최상위)까지 4등급으로 구분 평가하는 것으로 TierⅢ는 24시간 365일 무중단 유지보수가 가능한 데이터센터가 받을 수 있는 등급이다.

Tier 인증은 등급 기준에 따른 모든 세부 평가항목이 100% 부합해야 받을 수 있는 국제공인인증이다. 최근 지어지고 있는 국내 데이터센터들은 TierⅢ 인증을 받거나 이에 준하는 설계를 요구하고 있다.

외기 활용. 50% 비용절감
데이터센터는 에너지다소비 현장이지만 이곳의 에너지사용에 대한 특별한 규제는 없는 상황이다. 하지만 데이터센터는 워낙 유지비용이 많이 소모되고 최근 데이터센터 임대사업이 확대되고 있어 이윤 증대를 위해 기업들이 스스로 에너지비용 절감을 위해 효율적인 운영방법을 탐구하는 현장이기도 하다.

이를 위해 다양한 에너지절감방안들이 도출되고 있으며 가장 대표적으로 활발히 활용되고 있는 것이 외기를 이용한 냉각방식이다.

우리나라는 4계절 중 하절기를 제외하면 외기냉방이 가능할 정도로 환경적 조건이 좋다. 현재는 데이터센터의 70%가 도심지역에 있지만 점점 산속 등 부지확보가 용이하고 외기환경이 좋은 곳을 선호하는 추세다.

데이터센터는 근무자의 존재 여부와 관계 없이 소비되는 전력량 비율인 기저소비율이 모든 시기에 98% 이상으로 나타났다. 데이터센터는 전산장비의 안전성 확보를 위해 실내환경을 일정하게 유지해야 하고 연중 냉방을 수행함으로써 매우 많은 양의 전기에너지를 소비하고 있어 개선의 여지가 크다. 특히 냉방용 에너지소비가 큰 공간에서는 에너지 수준이 낮은 외기를 도입해 항온항습기와 연계 운전하는 외기 냉방시스템 설치가 유리하다.

한국건설기술연구원은 경기도 고양시에 위치한 K연구원 데이터센터의 외기냉방 도입방안을 검토했다. 실외온도 19℃, 습도 70% 이하인 외기를 도입하는 외기온도 실증테스트를 수행했다.

외기상태가 18℃ 이하인 12:40~3:40, 19:40~24:00 구간에서는 외기냉방+냉동기 혼합운전 모드일 때 SA Fan 4대와 EA Fan+Inverter로 총 11.1kW가 소비됐다. 같은 외부조건으로 24시간 냉동기 운전 시에는 항온항습기 2대의 냉동기 및 SA Fan으로 총 28.8kW의 전력을 소비했다.

따라서 혼합운전 모드일 때 전체 전력소비량은 452.3kW이고 24시간 냉동기 운전모드에서는 전반적인 적산 전력량이 증가한 618.8kWh로 약 7시간 동안 외기냉방가동 및 냉동기 혼합운전 모드에서 27%가량 절감이 가능한 것으로 나타났다.

연간 시간대별 기상데이터를 통해 외기냉방 가능시간을 분석한 결과 6~8월 하절기에는 외기냉방이 불가능하나 겨울철로 갈수록 외기냉방 가능시간이 늘어남을 확인했고 연간 총 8,760시간 중 5,480시간 동안 외기냉방이 가능한 것으로 나타났다. 외기를 직접 취득하는 외기냉방시스템은 외기냉방이 불가능한 냉동기 운전시스템대비 약 50%의 연간전력에너지 절감효과를 얻었다.

하지만 이런 직접 외기도입방식은 황사, 미세먼지 등 부수적인 문제를 유발한다. 이에 대응하기 위해서는 특수필터등을 설치해야 하며 4개월마다 교체해줘야 한다. 동절기 외기를 직접 도입함에 따라 코일 동파우려가 있다.

간접 외기도입방식도 사용되고 있다. 외기가 직접 실내로 공급되지 않아 먼지 가스, 꽃가루 등 오염인자에 대한 피해 우려가 없으며 히트파이프 오염 시 외부 물청소가 가능해 열교환 효율감소의 우려가 없고 필터 교체주기가 6개월로 길다.

단점은 증발잠열을 활용한 냉방시스템으로 열교환 효율이 외기의 습구온도에 따른 영향이 크고 HP 미스트 분사 장치 설치가 필요해 유지보수 항목이 많아진다.

<참고문헌>
- 데이터센터 구축을 위한 안정성과 효율성 기반의 커미셔닝 필요성 및 적용 방안 연구((주)한일엠이씨 최성호, 서대웅, 성노천, 연창근, 2016)
- 데이터센터 외기냉방시스템 설치에 따른 에너지절감 효과 분석(한국건설기술연구원 화재연구소 황지현, 이태원, 2015)
- 비상시 열원중단에 따른 데이터센터의 냉각시스템 열성능 평가에 관한 사례연구(삼성물산(주) 건설부문 기술팀 조진균, 강호석, 2016)