한국설비기술협회 데이터센터기술위원회가 주최한 데이터센터 전문 전시회인 ‘2025 데이터센터코리아’의 컨퍼런스 행사로 DC관련 전문가들을 위한 ‘SESSION 2 전문가 교육 Ⅰ’이 지난 8월13일 양재 aT센터에서 진행됐다.

 

이번 교육에는 △DC TCS 모듈설계 및 수냉식 시스템 에너지 평가(조진균 국립한밭대학교 설비공학과 교수) △고발열 서버 냉각장치용 하이브리드 UPS 및 AI DC용 파워솔루션(임승범 이온 이사) △DC 서버룸 냉각수공급 POINT 버퍼탱크(여경윤 포스코 팀장) △DC의 미래 우주 DC(양창환 우주항공청 사무관) 등 DC관련 과거·현재·미래를 아우르는 다양한 기술과 솔루션이 소개됐다.

 

DC TCS 모듈설계 및 수냉식 시스템 에너지 평가

 

조진균 국립한밭대학교 설비공학과 교수는 “AI서비스뿐만 아니라 기존의 아날로그산업들까지 디지털화되며 DC가 증가하고 디지털혁신의 핵심이 되고 있다”라며 “DC에서 전산발열량은 IT장비의 소비전력과 동일하며 일부의 예외를 제외하고는 IT장비 전력사용의 99% 이상이 열로 변환된다”고 밝히며 DC 열관리의 중요성과 다양한 솔루션을 공유했다.

 

현재 DC에서는 굉장히 많은 연산을 하기 위해 칩들을 돌리고 있다. 그 칩을 돌리기 위해선 막대한 전력이 공급돼야 하는데 칩들은 물리적인 에너지를 발산하거나 만들어내지 않고 있다. 에너지보존법칙에 의해서 투입된 전력은 물리적 에너지로 바뀔 수밖에 없기에 DC에 사용되는 칩들이 어떤 계산이나 연산을 하고 나면 이 에너지는 모두 열로 바뀐다.

 

조 교수는 “DC산업이 계속 발전되고 있는 현상황에 이런 칩들도 더 높은 성능을 위해 더 많은 전력을 소비하는 방향으로 개발되고 있다”라며 “이런 흐름에 맞춰 냉각의 방식도 대한 새로운 고민과 접근이 필요하다”고 전했다.

 

지금까지 국내 DC의 냉각은 대부분 공랭식시스템으로 이뤄졌다. △공간단위·방 전체를 냉각하는 ‘Room-based cooling’ 방식 △Rack을 컨테인먼트화 시켜 일부 공간을 냉각하는 ‘Row-based cooling’ 방식 △직접적으로 렉 후면을 통해 냉각하는 렉 기반 ‘Rack-based cooling’ 냉각방식 등으로 발전해 왔다.

 

하지만 방식을 발전시켜도 발열이 해결되지 않고 밀도도 점점 높아지면서 공랭식 냉각시스템의 사용이 어려워지고 있는 상황이다.

 

이에 조 교수는 “수랭식 냉각솔루션은 서버의 냉각효울성과 운영안정성을 향상시킬뿐만 아니라 IT장비의 전력밀도를 높여 컴퓨팅효율성 개선과 DC의 에너지 및 소음문제를 효과적으로 해결할 수 있는 대안”이라고 밝혔다.

 

수랭식은 크게 ‘칩셋냉각(Cold plate)’과 ‘액침냉각(Immersion)’ 방식이 존재한다.

 

먼저 칩셋냉각의 장점은 △검증된 HPC 애플리케이션 △공랭식 대비 pPUE 향상 △비(열)전도성 등이 있다. 문제점으로는 △전기전도성 △수처리 △일반적인 사용사례 부족 등이 있다.

 

액침냉각은 △칩셋 냉각판 불필요 △2상 시스템 가능 △오일비용 감소 등의 장점이 있고 △가연성 오일 △재료의 호환성 △서비스 가능성과 인화성 등의 문제점이 있는 상태다.

 

조 교수는 “현재 이 두 가지 방식을 비교 검토하며 사업모델로 진행을 하는 중이지만 아직 어떤 방식이 더 좋을지는 모르겠다”라며 “기술적으로는 검증이 진행되고 있지만 지금 우리에게 필요한 건 기술적 논쟁이 아닌 내구성에 대한 논쟁이다”라고 말하며 수냉식시스템의 내구성 확보에 대한 중요성을 강조했다.

 

또한 조 교수는 “얼마만큼의 내구성을 가질 수 있는지에 대한 검증만 끝나면 DC의 냉각방식이 공랭식에서 수냉식으로 전환될 수 있을 것”이라고 전망했다.

 

고발열 서버 냉각장치용 하이브리드 UPS 및 AI DC용 파워솔루션 소개

 

임승범 이온 이사는 DC의 전력사용 효율화와 에너지절감을 위한 솔루션으로 UPS와 ESS 두 가지 기능을 동시에 사용할 수 있는 하이브리드 UPS를 소개했다.

 

‘전지형 에너지저장장치(BESS)’는 전력수요가 상대적으로 적은 시간대(야간)에 전력을 배터리에 저장했다가 전력수요가 많은 시간대에 배터리에 저장된 전력을 사용해 피크를 저감시키는 장치다.

 

정전이 발생하면 ESS같은 경우에는 단독 운전 방지 기능으로 항상 동작을 멈춰야만 한다. 정전 발생시 작업자가 전기가 들어오지 않고 있다고 판단해 작업을 진행할 수 있는데 이런 상황은 감전의 위험이 있기에 ESS같은 경우에는 항상 동작을 멈춘다.

 

‘무정전전원장치(UPS)’는 상용전원 또는 예비전원의 각종 장애(정전·저전압 등)에 대비해 중요부하에 안정된 양질의 교류전원(정전압·정주파수)을 공급하는 장치다.

 

UPS는 정전이나 전압 이상이 발생하면 내부 인버터를 통해 즉시 전력을 공급하며 SCR(실리콘 제어 정류기) 스위칭기술을 활용해 전력 절체시간을 최소화하고 중요 부하에 안정적인 전력을 공급한다.

 

임 이사는 “BESS와 UPS 복합기능과 고효율 고속절체기능을 통해 도입비용 및 운영전력비 절감을 획기적으로 구현할 수 있는 제품”이라며 “하이브리드 UPS를 공조부하 영역에 공급하는 걸 기대한다”고 밝혔다.

그 이유로는 AI DC가 급속도로 증가하고 있고 전기사용량도 크게 늘어나고 있다는 점을 꼽았다. DC의 전력소비 비중을 확인해 보면 공조부하가 50%로 절반을 차지하고 있다. 이런 상황에서 DC의 고밀도 렉은 높은 발열특성으로 인해 단시간 정전 시에도 온도가 급상승하며 DC에는 손실 최소화를 구현할 수 있는 초고효율 특성이 중요하기에 하이브리드 UPS가 DC에 새로운 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 보인다.

 

또한 임 이사는 “이제 국내에 DC를 건축하기 위해서는 전력개통영향평가를 진행해야 하는 상황이라며 지난 24년 8월부터 25년 6월까지 해당 평가를 신청한 건수는 총 290건이며 그 중 수도권이 195건인데 이 중 평가를 통과한 건 단 4건밖에 없다”라며 “해당 평가의 기술점수 항목에 전력사용 효율화 계획에 5점이 배점이 돼 있는데 하이브리드 UPS 설치를 하면 이런 배점도 받으면서 안정적인 냉각과 고효율 운영이 가능하다”고 밝혔다.

 

이어서 AI DC용 서버의 높은 전력사용량과 피크성으로 전력량이 급상승 함에 따라 효과적인 전원솔루션을 도입하고 Peak-Shaving 전력관리를 통해 운영 TCO 절감이 필요하다며 ‘AI DC 피크제어용 파워솔루션’도 소개했다.

 

임 이사는 AI DC 피크제어용 파워솔루션으로는 ‘Peak Shaving(Super Capacitor)’과 ‘Battery Backup Unit(Super Battery)’을 예시로 들었다.

 

먼저 ‘Peak Shaving(Super Capacitor)’은 △UPS level (슈퍼 커패시터를 UPS에 설치해 전력망으로 전송되는 전력 변동 완화를 가능하게 하고 업계에서 가장 낮은 ESR로 다른 유사한 솔루션보다 열 발생을 낮췄다.) △PDU level(서버 렉의 행 끝에 설치된 스켈레톤 슈퍼커패시터 모듈은 업스트림의 전력 피크를 감쇄한다.) △In-rack level(48V DC버스에서 피크쉐이빙기능을 제공하는 고유한 피크 쉐이빙 솔루션으로 스로틀링을 줄여 GPU성능을 향상시킨다.)

 

‘Battery Backup Unit(Super Battery)’은 △UPS level (슈퍼배터리를 사용한 에너지 스토리지솔루션은 고출력 성능으로 인해 다른 어떤 배터리솔루션 보다 설치공간이 작다.) △PDU level(고유의 안정성을 갖춘 슈퍼배터리모듈은 DC 내에 설치해 분산형 BBU 기능을 제공할 수 있다.) △In-rack level(렉 내 설치를 위해 두 가지 폼 팩터로 BBU모듈을 개발하고 다른 리튬이온배터리와 비교해 탁월한 전력밀도로 렉의 공간사용량을 최소화할 수 있다.)

 

임 이사는 “이런 피크를 어떤 식으로 제어할까 고민을 하다 세 가지 방식을 생각하게 됐다”라며 “UPS level, PDU level, In-rack level 이 세 가지 방식 모두가 일괄적으로 동작을 한다면 DC에서 발생하는 피크를 위한 솔루션이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

 

DC 서버룸 냉각수공급 POINT 버퍼탱크

 

여경윤 포스코 팀장은 “일반적인 DC와 AI DC나 서버 시장이 지속적으로 확대되고 있고 이에 따른 냉각방식도 발전하고 있다”라며 “DC의 정전은 서버의 과열로 이어질 수 있고 정전이 발생하면 서버로 냉각수를 보내는 버퍼탱크 기술이 요구되고 있다”고 밝혔다.

 

버퍼탱크의 핵심기술은 탱크 내부에서 온수와 냉수가 서로 섞이지 않는 성층화를 구현하는 것으로 성층화기술 구현을 위해 화장실 변기에 사용되는 ‘코안다 원리’(유체가 유입될 때 배관에서는 유속이 빠르지만 분배기를 통과하게 되면 유속을 느리게 만드는 기술)를 응용해 코안다 분배기가 개발됐다.

 

포스코의 고강도 스테인리스인 316HN3를 이용해 압력용기의 압을 견디는데 용이하고 다른 소재에 비해 두께를 줄일 수도 있다. 또한 장기 사용 시에도 부식을 억제할 수 있으며 파손이나 균열에 대한 리스크도 감소한다.

 

이를 통해 여 팀장은 “포스코의 고강도 스테인리스 316HNS를 적용한 버퍼탱크는 최대 25% 경량화를 이뤄냈고 코안다분배기기술을 통해 성층화 구현율도 90% 이상 달성했다”고 전했다.

 

또한 이번 버퍼탱크는 ASHARE STD 150 방냉시험을 통해 방냉온도가 평균유입온도(충수되는 냉각수 온도) +2℉(+1.1℃)까지의 온도를 가지는 경우 전체 체적의 90%까지 온도가 유지되는 것을 검증했다.

 

아울러 분배기를 통해 층류형성을 하는 분배기형 버퍼탱크인 만큼 기존의 배관형이나 격벽형 버퍼탱크에 비해 더 많은 경쟁력을 가졌다.

 

먼저 성층화 효율이 85% 이상으로 기존 제품보다 10~20% 이상 높아졌다. 성층화 효율이 높으면 탱크 내부의 여유공간을 작게 할 수 있어 소형화까지 가능하다. 이에 따라서 부품비와 조립비의 절감효과도 기대가 가능하고 작업 및 제작 시간도 감소할 것으로 보인다.

 

여 팀장은 “포스코의 POINT 버퍼탱크는 포스코의 INNOVILT 제품 인증제도도 겸하고 있어 경쟁력을 가지고 있다”라며 “용접봉이나 용접방법에서도 포스코만의 특허를 보유하고 있어 충분한 안전성도 제공할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

DC의 미래 우주 DC

 

양창환 우주항공청 사무관은 “최근 미국에서 재사용 발사체에 대한 기술 개발이 진행되고 있는데 이를 통해 앞으로 DC산업이 어떤 형태로 변화하게 될지 얘기해보겠다”고 전하며 발표를 시작됐다.

 

맥킨지(McKinsey) 우주 경제 보고서에 따르면 우주경제 규모가 24년도 기준 대략 6,000억달러(834조원)정도 되는데 10년 뒤에는 1조8,000억달러(2,502조원), 20년 뒤에는 4조달러(5,560조원)로 확대될 것으로 보인다.

 

양 사무관에 따르면 “특히 우주 운송부문에서 운송중량이 늘어나고 있고 지금도 대략 150톤 정도 운송이 가능한 상황”이라며 “기술개발과 혁신이 계속돼 운송중량이 더 늘어나게 된다고 하면 우주연구소나 상업용 우주정거장이 만들어질 수 있는데 우주 DC도 이 영역에 포함될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 

이런 기대감은 양 사무관뿐만 아니라 다른 국내·외 전문가들도 내비치고 있다. 전 구글 CEO인 에릭 슈미트(Eric Schmidt)는 우주 궤도에 DC를 올리기 위해 발사체 회사를 인수했고 리복(Reebok)은 탄소배출이 많은 신발모델링 작업을 아예 우주 DC에서 수행함으로써 지구 탄소배출량을 줄이겠다는 기사를 내기도 했다.

 

하지만 지금의 기술로는 전원공급이나 냉각에 필요한 에너지 등 실현이 어려운 부분들이 있다. 양 사무관은 이를 해결하기 위해 “태양광 에너지를 패널로 받아 운영하는 기술과 위성들간 레이저링크를 통해 통신하는 기술 등 끊임없는 혁신과 개발이 필요하다”고 전했다.

 

또한 우주로 DC 올라가게 되면 많은 양의 방사능에 노출되기 때문에 반도체 개발도 필요할 것으로 보인다. 냉각시스템도 지금의 ISC냉각시스템 외에 액침냉각 같은 추가적인 냉각시스템 기술도 필요할 것으로 보인다.

 

양 사무관은 “중국에서는 이미 지난 5월 슈퍼컴퓨터를 우주에 올려 컴퓨터 간 레이저링크를 통해 통신하고 있으며 지상과는 브이밴드로 통신하는 시스템을 구축했다”라며 “다른 기술들도 개발이 되고 있으며 가장 큰 문제로 꼽히는 우주 수송체의 운송비용이 문제도 아직은 비싸지만 혁신을 통해서 가격을 급격하게 낮춘다면 우주 DC도 더는 꿈 같은 얘기가 아닌 현실이 될 수 있다”라며 우주 DC의 기대감과 전망을 내비쳤다.