IT서버 기술이 발전하고 고집적·고밀도 경향이 가속화되는 가운데 초고밀도 컴퓨팅시스템을 냉각할 수 있는 Immersion cooling(액침냉각) 기술에 대한 정보교류의 장이 열렸다.

한국설비기술협회(회장 김철영) 데이터센터기술위원회(위원장 연창근)가 11월1일 The RAUM 컨벤션에서 ‘데이터센터 신 냉각기술’을 주제로 세미나를 개최했다.

설비기술협회 데이터센터기술위원회가 주최하고 칸kharn, 삼화에이스, 한국데이터센터에너지효율협회(KDCEA), 메쎄이상 등이 후원한 이번 행사는 날로 고집적·고발열화가 이뤄지고 있는 데이터센터(DC: DataCenter)의 새로운 냉각방식으로 주목받는 Immersion cooling에 대한 소개 및 적용논의가 이뤄졌다.

기후위기로 인한 영향력이 전 세계적으로 확대되고 있는 가운데 각 국가들은 온실가스 저감을 위한 다양한 방안을 마련하고 있다. 이러한 온실가스 저감 분위기가 고조됨에 따라 미래산업의 기반시설로 인정받고 있는 데이터센터 역시 막대한 전력사용량을 줄일 수 있는 대책마련을 고심 중이다.

유럽 주요국가들을 필두로 데이터센터에 대한 전력수요관리와 환경제재가 강화되고 있으며 글로벌 데이터센터 기업들은 지속가능한 운영을 위한 쿨링솔루션 개선에 적극적이다. 특히 IT장비 자체를 냉매에 넣어 냉각하는 액침냉각 도입이 적극적으로 검토되고 있다.

전문가들은 30kW 이상 초고밀도 랙을 사용하기 위해서는 새로운 냉각방식이 필요하다고 입을 모은다. 기존 공기냉각방식은 초고밀도 IT시스템의 신뢰성을 유지할 수 있는 열제거 용량을 감당할 수 없다는 것이다.

이에 따라 이번 세미나에서는 국내 전력수요 현황 및 전망과 함께 데이터센터의 전력사용을 줄일 수 있는 미래형 쿨링솔루션에 대해 심도깊은 논의가 진행됐다.

세미나는 △한국 데이터센터 시장동향 그리고 지속가능성(송준화 KDCEA 사무국장) △국내 전력정책 및 데이터센터 전력수요 전망(박찬영 한전 부장) △데이터센터 냉각기술(조진균 한밭대 교수) △고밀도 데이터센터 설계사례(박배균 한일엠이씨 본부장) △Immersion Cooling을 위한 냉매소개(배창완 3M 책임) △Immersion Cooling을 위한 서버 소개(김영남 슈퍼마이크로 책임) △해외 Immersion Cooling Tank 소개 및 적용사례-On line 발표(이시영 카오리 과장) △국내 Immersion Cooling tank 솔루션 소개(고민건 삼화에이스 선임연구원) △데이터센터 쿨링을 위한 신기술 냉각솔루션(최병남 삼화에이스 이사) 등 발표가 이뤄졌다.

김철영 설비기술협회 회장은 축사를 통해 “4차 산업혁명이 가속화되는 가운데 지난 데이터센터 컨퍼런스에 이어 이번 세미나에서도 해당분야의 관심이 날로 높아지고 있는 것을 체감한다”라며 “설비기술협회는 데이터센터 관련 기술을 보급하는 데 노력하고 있으며 앞으로도 기술포럼 및 정보교류의 장을 열어 관련분야 종사자들과 함께 상생하는 업계분위기를 만들어나갈 것”이라고 말했다.

연창근 데이터센터기술위원회 위원장은 “데이터산업은 모든 산업부문과 연결고리를 갖고 있으며 데이터센터라는 산업기반 인프라 구축이 활발하게 진행되고 있다”라며 “오늘 행사에는 데이터센터 운영사는 물론 테크니컬엔지니어링, 건설, 제조분야 등 다방면의 관계자들이 참석한 만큼 지속가능한 데이터센터 신냉각기술에 대한 많은 정보가 공유되길 바란다”고 말했다.

첫 번째 발표로 송준화 KDCEA 사무국장은 ‘한국 데이터센터 시장동향 그리고 지속가능성’에 대해 발표했다.

데이터센터는 ICT장비를 건물·공간에 집적시키고 IT서비스 제공에 필요한 장비를 통합·관리해 24시간 365일 무중단으로 안정적인 서비스를 제공할 수 있는 시설로 정의된다. 초연결 지능사회의 IT서비스 제공 및 이용을 위한 필수 기반시설로 우리 생활에서 발생되는 수많은 데이터의 저장·처리·유통을 담당하는 데이터센터는 클라우드 컴퓨팅을 위한 하이퍼스케일과 엣지컴퓨팅을 위한 엣지(마이크로) 데이터센터로 이분화될 전망이다.

송준화 사무국장은 “2026년까지 약 30개의 신규 상업용 데이터센터 구축 프로젝트 추진이 계획돼있으며 이로 인한 신규 투자액은 약 12조원에 달할 것”이라며 “또한 2022년부터 2025년까지 29개소의 신규센터가 건설되며 전력소비량은 2022년 475MW에서 1,087MW 증가한 1,563MW로 3배 이상 증가할 전망”이라고 말했다.

이어 “데이터센터의 친환경성은 지속가능한 발전을 위한 필수요인으로 여겨지는 가운데 세계적 화두가 되고 있는 ESG경영을 위해 환경뿐만 아닌 사회 및 지배구조 달성에 노력하고 있다”라며 “현재도 지역주민 반발로 인해 2~3개의 데이터센터 건설이 무산될 가능성이 있는 만큼 전자파, 수증기, 소음 등 과장된 피해에 대한 오해를 종식시키기 위해 노력이 필요하다”고 말했다.

박찬영 한전 부장은 ‘국내 전력정책 현황 및 데이터센터 전력수요 전망’을 발표하며 정부의 에너지정책 방향과 데이터센터 수요분산을 위한 한전의 노력을 설명했다.

2018년 한전의 신규 대용량 고객 총량 2,116MW 중 데이터센터 비중은 2%(40MW)에 불과했으나 2022년 3,737MW의 36%(1,344MW)를 차지하며 누적합계 1만5,106MW 중 데이터센터는 25%(3,789MW)를 기록하고 있다. 

2022년 6월기준 한전에 접수된 데이터센터 전기사용 예정은 전체고객 466호(3만2,263MW) 중 수도권이 426호(2만8,465MW)로 90%(88%)를 차지하고 있다. 수도권과 비수도권의 데이터센터 전력사용량이 불균형을 이루는 가운데 수도권 전력생산량에 비해 수요가 매우 큰 상황이다. 

박찬영 부장은 “한전은 전기사용을 요구하면 공급해줘야 하는 의무가 있기 때문에 데이터센터 수도권 편중에 대한 자체적인 규제는 사실상 어려우며 정부 및 국회에서 심각성을 인지해 대책이 만들어질 것”이라며 “분산에너지 활성화 특별법이나 주변 수용성에 미치는 영향 등을 감안해 절차가 만들어질 전망”이라고 말했다.

조진균 한밭대 교수는 ‘데이터센터 냉각기술: 비상시 안전성 vs 에너지효율’을 발표했다.

세계적인 코로나19 팬데믹으로 비대면산업이 성장하는 가운데 4차 산업혁명과 맞물린 모든 산업의 디지털화가 가속되고 있다. 데이터센터는 산업 디지털화의 가장 핵심적인 역할을 하고 있으며 최근 5년간 약 50%가 증가했다. 운영환경의 안정성 확보가 매우 중요함에 따라 IT전력밀도와 이에 대응해야 하는 냉각시스템의 기술적 측면이 고려돼야 한다.

데이터센터 건설에서 안정성이냐, 에너지절감이냐를 선택해야 한다. 안정성이 높은 데이터센터는 운영비용이 많이 소요되지만 에너지절감성이 높다면 운영비가 줄어든다. 하지만 사고로 인해 데이터센터가 한번 멈춘다면 단기적인 비용절감보다 더 큰 손해가 발생하는 경우가 많다. 

데이터센터의 장애원인 중 정전이 35.2%로 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 공조설비의 고장은 2.3%밖에 안되지만 정전발생 시 UPS 작동으로 IT설비는 살릴 수 있지만 공조설비까지 작동시키기는 힘들다. 공조설비를 작동시키는 이유는 IT서버의 발열을 제거하기 위해서다. 제때 온도를 낮추지 못한다면 서버는 고장나기 때문에 비상상황 발생 시 골든타임 안에 조치가 이뤄져야 비용발생을 최소화할 수 있다.

조진균 교수는 “기존 5kW 미만 랙에서는 공간단위 냉각방식을 사용했으며 12kW 이상 고집적 시설에서는 기존냉각방식으로는 서버발열을 감당할 수 없으니 열기반, 랙기반 방식이 적용돼야 한다”라며 “향후 랙용량이 더욱 오른다면 직접 칩셋냉각(수냉식), 액침냉각(immersion) 적용을 적극 검토해야 한다”고 말했다.

박배균 한일엠이씨 본부장은 ‘고밀도 서버랙 냉각방식 설계사례’를 발표했다.

DATA CENTER Frontire가 발표한 2020년 데이터센터 현황보고서에 따르면 평균 랙밀도 상승은 2018년 7.2kW에서 2019년 7.3kW, 2020년 8.2kW로 매년 상승하고 있으며 앞으로 상승폭은 크게 증가할 것으로 전망된다.

기존 데이터센터는 단순 클라우드 저장공간을 이용하기 위한 Share 개념이 많이 요구됐다면 현재는 단순한 정보저장을 넘어 딥러닝, 머신러닝, 인공지능으로 발전하고 있으며 블록체인 해석 등 기술발전에 따라 고밀도 서버가 설치되는 데이터센터는 자연스럽게 증가할 예정이다.  

Immersion Cooling 방식은 서버를 전기가 통하지 않는 액체에 담궈 초고밀도 부하대응이 가능해 일반적으로 50~100kW 랙에 많이 사용된다. 100% liquid 뱅각방식으로 고밀도 서버를 냉각시키기 위해 가장 적은 에너지를 사용한다.

박배균 본부장은 “AI용 서버의 경우 4U당 약 5kW로 42U RACK에 구축될 시 50kW의 전력이 소요된다”라며 “다량의 GPU, CPU 설치 시 많은 전력소모가 요구되기 때문에 이에 맞는 냉각방식으로 변경이 필요하며 코로케이션기업이 아닌 특수기업에서 이러한 설계용역 의뢰가 많이 들어오고 있다”고 말했다.

이어 “최신 냉각기술인 Immersion Cooling시스템을 검토한 결과 충분한 적용성을 확인했으며 PUE 측면에서 매우 유리하기 때문에 같은 수전용량에서 더 많은 IT로드를 공급할 수 있다”고 말했다.

배창완 3M 책임은 ‘Immersion Cooling을 위한 냉매소개’를 발표했다. 3M은 거의 모든 국가에서 사업을 전개하고 있으며 2020년 328억달러 매출을 기록했다. △Technology △Manufacturing △Global Capabilities △Brand 등 4개 사업그룹에서 9만명 이상 직원을 고용하고 있다. 12만9,620개 특허를 보유하고 ‘다우존스 산업지수’ 30대 기업에 포함됐다.

3M은 가상화폐를 생산하는 데이터센터에 2-Phase Immersion Cooling시스템을 적용했다. Bitfury가 운영하고 있는 가상화폐 생산 데이터센터는 2015년 40MW급 시설을 건설했고 2-Phase Immersion Cooling시스템 효용성을 확인하고 2018년 120MW급 센터를 추가 건설했다. 해당 데이터센터는 3M Novec 7100 Engineered Fluid 제품을 적용해 외기온도 40℃에도 1.02 PUE의 성능을 나타냈다.

또한 Alibaba의 데이터센터에는 3M Fluorinert Electronic Liquid FC-40 제품으로 Single-Phase Immersion Cooling시스템을 적용, 1.07 PUE 성능을 확인했다.

배창완 책임은 “데이터센터 액침냉각솔루션은 성능샹항, 비용감소, 지속성 향상 등 많은 이점을 보유하고 있다”라며 “실제로 하이퍼스케일, 엣지를 포함한 많은 데이터센터 범위에서 성능을 확인할 수 있다”고 말했다.

김영남 슈퍼마이크로 책임은 ‘슈퍼마이크로 Immersion Cooling시스템’을 소개했다. 

Immersion Cooling은 불소화합물, 탄소수소화합물 등 산업용 열전달 냉각체에 서버발열을 해소하는 방식으로 불소화합물은 안정성, 불활성 등, 탄소수소화합물은 경제성, 일반성 등의 특징을 보유하고 있다.

슈퍼마이크로는 업계에서 가장 광범위한 포트폴리오를 제공하고 있으며 10년간 쌓아온 경험과 글로벌 고객기반 제조시설을 보유하고 있다. 특히 2013년 Green 500(NEC)에서 PUE 1.05 이하가 가능한 Sigle-Phase Immersion Cooling 서버설계를 통해 서버제조사 중 최초로 X86시스템 1위를 수상했다. 

국내 실적으로는 삼성반도체 EDA가 있으며 적은 CPU코어수로 동등한 컴퓨팅 성능을 제공하기 때문에 라이선스 비용을 절감할 수 있었다. 이번 현장은 불소화합물을 냉각제로 활용했다.

글로벌 시장에서는 △Alibaba(하이퍼스케일) △BITFURY(가상화폐) △ExaScaler(슈퍼컴퓨터) △FUJITSU(고성능 연산 컴퓨터) 등에 150MW 이상 데이터센터 프로젝트에 참여했다.

이시영 카오리 과장은 ‘차세대 액침냉각 솔루션’을 온라인 발표했다.

1970년 설립된 카오리는 2021년기준 한화 약 960억원 매출을 기록한 기업이다. △금속가공 △열전달 부품 △수소 △에너지통합 등 핵심기술을 바탕으로 △가스켓 판형열교환기 △브레이징 판형열교환기 △서버 액침냉각 △수소발전기 △메탄올 수소 연료전지 발전기 등을 주요제품으로 보유하고 있다.

모든 산업에서 디지털화가 가속화되고 있는 가운데 데이터센터산업은 서버·랙 온도가 상승하고 있으며 친환경 데이터센터를 위한 새로운 냉각방식을 고민하고 있다. 이를 위해 카오리는 △공간 및 냉각관리 △전력비용관리 △확장가능 모듈형 데이터센터 지향 등에 전문적인 솔루션을 제공하고 있다.

특히 액침냉각을 위해 CDU(Coolant Distribution Units)와 수조탱크의 설계, 제작 및 설치와 더불어 열교환부품 선택과 온도조절 로직프로그래밍, 액침냉각용 제조사 추천 등을 제안한다.

이시영 과장은 “시장에서 최고의 성능으로 평가받는 카오리의 브레이징 판형열교환기를 사용해 PUE 1.1 미만이라는 성공적인 결과를 달성했다”라며 “냉각수 분배장치 및 액침 수조 제조 및 설치, 파이프 네트워크, 장기적 CDU 유지보수 등 고객맞춤형 액침냉각 서비스를 제공하고 있다”고 말했다.

고민건 삼화에이스 선임연구원은 ‘국내 Immersion Cooling tank 솔루션 소개’를 발표했다.

데이터센터 냉각은 직팽식 냉동시스템부터 고효율·고집적 부하처리가 가능한 시스템으로 개발되고 있으며 삼화에이스는 이러한 데이터센터 냉각트렌드에 대한 다양한 솔루션을 보유하고 있다.

1-Phase Immersion Cooling은 유전체 용액을 서버에 순환시켜 냉각하는 방식이다. 서버 내 냉각은 대류 열전달이 이뤄지며 탱크 내부 순환이 원활해야 하기 때문에 유로가 매우 중요한 요소다. CDU가 부가적으로 필요하며 1 대 다수의 연결이 가능하다.

2-Phase Immersion Cooling은 유전체 용액이 서버열에 기화되고 기화용액을 응축시켜 순환하는 방식이다. IT장비에서 냉각 메커니즘은 boiling이며 기화된 용액을 응축시키는 매커니즘은 condensation이다. 탱크 내부에 설치된 응축부에 냉수를 공급하는 방식으로 부가시설이 필요없으며 기밀관리에 유의해야 한다.

고민건 선임연구원은 “ASHRAE Datacom series에서는 액체냉각에 대한 운전온도 및 설비에 대한 가이드라인을 제시하고 있다”라며 “각 클래스별 메인 및 서브설비에 대한 조건과 공급하는 물온도에 대한 기준으로 TCO 및 서버의 운영적인 측면에서 각 용도에 맞는 운전조건 선정이 필수”라고 말했다.

최병남 삼화에이스 이사는 ‘데이터센터 쿨링을 위한 신기술 냉각솔루션’을 발표했다.

데이터센터는 전체 에너지사용량 중 HVAC분야가 31%를 차지하고 있으며 고집적·고밀도 컴퓨팅 장비시장이 증가함에 따라 쿨링의 중요성은 더욱 증가하고 있다.

특히 정부가 온실가스를 배출하는 사업장을 대상으로 연단위 배출권을 할당해 할당범위 내에서 배출행위를 할 수 있도록 규정함에 따라 데이터센터 전기사용량 감소는 필수적인 고려사항이 되고 있다.

이를 달성하기 위해 글로벌 데이터센터산업에서는 사용전력을 100% 신재생에너지로 사용한다는 의미의 RE100이 주목받고 있다. 이미 구글, 마이크로소프트 등 글로벌기업은 RE100을 통한 자발적인 신재생에너지 적용을 실천하고 있다.

최병남 이사는 “현재 데이터센터 HVAC 전력량 감소를 위해 In-row Cooling시스템이 활용되고 있으며 냉매의 증발잠열을 사용해 서버에서 배출되는 고온의 공기를 냉각하고 있다”라며 “In-row Cooling시스템은 설치 위치에 따라 Stand type과 Overhead type로 나뉘며 층고에 따라 적정 방식을 선택하는 것이 중요하다”고 말했다.