인공지능(AI), 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등 첨단 기술의 비약적인 발전은 오늘날 데이터센터(DC)의 규모와 처리해야 할 데이터 양을 기하급수적으로 증가시키고 있다. 이러한 변화의 중심에는 끊임없이 성능이 향상되는 CPU와 GPU가 있다.
하지만 성능향상은 곧 발열량 증가로 이어지며 특히 GPU TDP(Thermal Design Power) 증가율은 CPU보다 훨씬 가파른 양상을 보여 DC 열관리 문제를 핵심과제로 부상시키고 있다.
과거에는 CRAC, CRAH, FWU 등 공랭식만으로도 충분했다. 그러나 칩당 발열량이 급증하면서 한계가 명확해졌다. 낮은 냉각효율, 높은 에너지소비, 소음, 제한된 공간효율성은 더 이상 고밀도 DC 환경에 적합하지 않다는 인식이 확산되고 있다. 이러한 배경 속에서 액체냉각 방식이 차세대 DC냉각 솔루션으로 강력하게 주목받고 있다.
액체냉각, 에너지효율·고밀도 구현 핵심
DC 냉각방식의 변화는 PUE(Power Usage Effectiveness)와 랙당 지원가능한 전력밀도라는 두 가지 지표를 통해 더욱 명확히 드러난다. PUE는 DC 에너지효율을 나타내며 낮을수록 효율이 높다. 랙당 전력밀도는 랙 하나에 얼마나 많은 고성능 칩을 설치할 수 있는지를 보여주는 지표이다.
기존 공랭식은 PUE가 1.4~1.6으로 효율이 낮고 랙당 전력밀도도 제한적이다. 인로(In-Row) 쿨링방식은 효율이 개선됐찌만 액체냉각에는 미치지 못한다. 반면 액체냉각은 PUE 1.1~1.3 수준의 높은 효율을 달성하며 랙당 전력밀도를 획기적으로 높여 고밀도 랙구성에 압도적인 유리함을 제공한다. 특히 칩에 직접 냉각수를 공급하는 D2C(Direct to Chip) 또는 DLC(Direct Liquid Cooling)와 서버 전체를 특수 냉각액에 담그는 액침냉각(Immersion Cooling)은 최고의 냉각성능을 자랑한다. 최근 엔비디아 블랙웰 GPU가 132kW에 달하는 전력을 소비하는 점을 고려할 때 액체냉각은 필수적인 선택이 된다.
DC 냉각트렌드: 하이브리드 솔루션 ‘진화’
액체냉각기술시장은 2021년부터 꾸준히 성장해 2028년 전체 냉각시장의 약 40%를 차지할 것으로 예상된다. 이러한 성장세는 칩발열량 증가에 따른 냉각시스템 변화를 극명하게 보여준다.
DC 냉각방식은 공랭식에서 액체냉각, 그리고 냉동냉각(Refrigeration Cooling)으로 진화하고 있다. 나아가 앞으로는 단일냉각 방식이 아닌 하이브리드 방식이 주류를 이룰 것으로 전망된다. 랙 내부는 액체냉각으로 고성능 칩의 열을 직접 제거하고 랙 외부는 공랭식으로 전체적인 DC환경을 관리하는 방식이 대표적인 예다. 칩발열량이 계속 증가할 것으로 예상되는 만큼 미래 DC냉각시스템은 더욱 높은 효율성과 유연성을 갖춰야 하며 액체냉각기술과 하이브리드 냉각방식이 이러한 변화를 주도할 것이다.
액체냉각 세 가지 핵심방식
액체냉각은 크게 RDHx(Rear Door Heat eXchanger), DLC, 액침냉각 등 으로 나눌 수 있다. RDHx는 랙냉각방식으로 서버 랙 후면에 냉각장치를 설치한다. RDHx는 다시 패시브와 액티브로 구분되는데 패시브는 냉각수가 흐르는 도어형 열교환기를 통해 자연대류로 열을 흡수한다. 이러한 방식은 에너지소비가 적고 소음이 없지만 냉각효율은 제한적이다. 반면 액티브는 팬과 냉각코일을 사용해 강제적으로 공기를 순환시켜 냉각한다. 냉각효율이 높고 핫스팟 제거에 효과적이지만 팬으로 인한 에너지소비 증가와 소음발생 가능성이 있다. 기존 DC 개선이나 고밀도 랙 환경에 적합한 솔루션으로 평가된다.
DLC는 CPU나 GPU와 같은 발열량이 높은 칩에 직접 냉각판을 부착해 냉각하는 방식으로 액체냉각 랙, CDU(Coolant Distribution Unit), FWS(Facilities Water System)로 구성되며 냉각수가 칩을 직접 냉각하고 CDU를 통해 순환한다. 이러한 방식은 매우 높은 냉각효율을 제공하며 서버 내부공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 또한 PUE를 유의미하게 낮추고 고밀도 랙 설계가 가능하며 25~50℃ 낮은 냉수온도 유지가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 설치 및 유지보수가 복잡하고 많은 CDU가 필요하며 공사기간이 늘어날 수 있다. 또한 유지보수 시 서버다운이 필요하다. DLC는 고성능 서버, 슈퍼컴퓨터, AI시스템 등 높은 냉각성능이 요구되는 환경에 적합하다.
액체냉각시스템 단계별 냉각특성
액침냉각은 서버를 특수액체에 담가 직접 냉각하는 방식이다. 액체냉매 상태변화에 따라 단상(1 Phase)과 이상(2 Phase) 방식으로 구분된다. 냉각탱크, CDU, FWS로 구성되며 서버가 액체냉매에 담겨 냉각되고 냉매는 CDU를 통해 순환된다. 액침냉각은 가장 뛰어난 냉각효율을 제공하며 서버소음을 크게 줄이고 약 3% 공랭만을 필요로 하며 탱크 내 온도를 50℃ 이하로 유지해 안정적인 운영을 보장한다. 고밀도 설계 및 프리쿨링(Free Cooling)이 가능해 공간효율성과 에너지절감 효과가 크다다. 반면 설치 및 유지보수가 복잡하고 초기 투자비용이 높으며 서버다운이 필요하다는 단점과 비전도성 액체에 대한 관리 및 누출방지 이슈가 있다. 현재는 하나의 탱크에 한 클라이언트만 소유하는 제약이 있지만 기술개발을 통해 다수 클라이언트 공유가 가능해지고 있다. 뛰어난 냉각효율과 에너지절감 효과로 미래 DC냉각 핵심기술로 부상하고 있다.
액체냉각시스템 구성 및 핵심장비
액체냉각시스템은 크게 네 단계의 냉각과정을 거치며 각 단계마다 특화된 장비가 활용된다.
1차냉각은 서버내부 냉각단계다. 서버에서 발생하는 열은 비전도성, 비흡수성, 무색·무취·무독성, 생분해성, 불연성 등 특징을 가진 냉매를 통해 흡수돼 50℃ 서버열을 37℃로 낮춘다. 2차냉각은 CDU를 통한 냉매냉각 단계다. 가열된 냉매는 CDU로 이동한다. CDU는 냉각수 온도, 유량, 압력을 정밀하게 제어하고 각 시스템에 적절히 분배하는 핵심 장비다. CDU는 물 또는 다른 액체냉매를 사용해 1차냉매를 식히며 냉각탑이나 냉각기와 같은 외부 냉각시스템과 연동해 효율을 극대화한다. CDU는 중앙집중식과 분산배치식으로 설치할 수 있으며 각각 공간효율성과 개별제어 장점을 제공한다.
3차냉각은 냉각탑을 통한 열방출 단계다. 가열된 냉매는 냉각탑으로 이동한다. 냉각탑은 외부공기를 활용해 냉매를 냉각하고 재순환시키는 역할을 한다. EVAPCO는 밀폐형, 건식 및 단열, 초저소음 냉각탑 등 다양한 솔루션을 제공하며 특히 프리쿨링을 통해 에너지절감 효과를 극대화할 수 있다. 4차 냉각은 칠러를 통한 최종 냉각단계다. 냉각된 냉매는 칠러로 이동해 최종적으로 식혀진다. 일반형, 무급유 마그네틱, 패스파인더(Pathfinder) 모델 등 다양한 종류가 있으며, 다이킨 냉동기는 라이드스루(RideThrough) 및 래피드스토어(Rapid Store) 기능을 통해 갑작스러운 정전 상황에서도 안정적인 냉방시스템 운영을 보장한다.
지속가능 DC를 위한 액체냉각 도입 제언
대한민국 DC산업은 급변하는 IT환경 속에서 지속가능한 성장을 위해 새로운 냉각 패러다임을 요구하고 있다. CPU 및 GPU의 발열량 급증은 기존 공랭식의 한계를 명확히 드러내고 있으며 이제 액체냉각 솔루션은 DC의 지속가능한 성장과 에너지효율 혁신을 위한 필수적인 인프라로 자리매김하고 있다. 액체냉각 방식은 뛰어난 냉각효율, 에너지소비량 절감, 고밀도 랙 구성 용이성 등 다양한 이점을 제공한다. 특히 DLC와 액침냉각은 미래 DC의 고집적, 고성능 요구에 부응하는 핵심기술로 각광받고 있다. 또한 CDU, 냉각탑, 칠러 등 기술발전은 액체냉각시스템의 효율성과 안정성을 더욱 높이고 있다.
지속가능한 DC운영을 위해서는 에너지효율 극대화가 필수적이며 이를 위해 프리쿨링 적용, CTI 열성능인증을 획득한 냉각탑 선정, FM인증을 받은 냉각탑 도입을 통한 화재 안전성 확보 등이 중요하다. 급변하는 DC환경에 선제적으로 대응하고 미래경쟁력을 확보하기 위해 대한민국 냉난방공조 전문가들에게 액체냉각솔루션 도입을 적극적으로 제언한다. 이는 단순한 기술변화를 넘어 지속가능한 DC산업성장과 에너지효율 혁신을 위한 중요한 전환점이 될 것이다.
<차맹규 MCE-FM AE사업부 상무>
