스탠더드시험연구소는 대전 연구개발특구에 위치한 원자력분야 엔지니어링 전문기업이다. 원자력분야의 열유체기술을 확대해 일반산업에 적용하기 위한 연구개발을 진행하고 있다. R&D팀 산하 열에너지시스템개발분야는 △데이터센터 냉각 △배터리 열관리 △스마트팜 냉난방 등 열유체기술의 산업분야 적용방안을 연구하고 있다.

 

최근에는 컴퓨팅분야에 집중해 데이터센터용 D2C 2상 냉각시스템을 출시했다. 스탠더드시험연구소 R&D 총괄책임자 신우중 팀장을 만나 자체개발한 피동형 2상 D2C 냉각시스템에 대해 들어봤다.

 

■ 냉각연구에 집중하게 된 계기는

2020년 한국전자통신연구원의 ‘슈퍼컴퓨터 개발선도사업’ 참여를 통해 데이터센터 냉각에 주목했다.

 

같은 시기에 냉매활용 배터리 열관리분야의 액침냉각연구도 수행했으며 연구과정에서 액침냉각의 문제들을 이미 경험했다. 이에 따라 D2C 냉각시스템 개발로 연구계획을 수정했다.

 

■ DC용 냉각시스템과 원전분야와의 연관성은

피동형 2상 D2C 냉각시스템은 원전의 피동원자로건물냉각계통(PCCS: Passive Containment Cooling System)에서 파생됐다. PCCS는 원전이 사고로 전원 상실 시 물을 냉매로 전원공급 없이 자연대류로 원자로 격납건물을 냉각하는 장치다. 원자로라는 초고발열체의 열관리기술을 고발열시설인 DC에 적용한다는 데 착안해 연구가 진행됐다.

 

■ 단상 D2C와 이번 2상 D2C 냉각의 차이점은

피동형 2상 D2C의 가장 큰 특징은 무전원과 무제어 작동방식이다. 이에 따라 유체흐름에 관여하는 펌프, 밸브 등 장치가 요구되지 않는다. 이는 자연대류가 펌프역할을 수행하기에 가능하다. 피동형 2상 D2C는 자연대류로도 열전달성능이 뛰어난 구조로 고성능 칩 냉각이 가능하다.

 

단상 냉각이 열을 식히기 위해 현열(Sensible)을 활용하는 반면 2상 냉각은 잠열(Latent Heat)을 활용한 상변화에 주목한다. GPU칩의 발열로 냉매가 유체에서 기체로 상변화하면서 열을 전달하면 단위질량당 전달할 수 있는 열량이 단상냉각대비 4배 이상 크다.

 

또한 무제어방식은 2상 냉각시스템의 자체조정기능을 뜻한다. 냉각방식의 핵심작동원리는 칩에서 시작된다. 먼저 고성능 칩의 작동으로 열이 발생한다. 이에 따라 증발기의 냉매는 흡수한 칩 열량만큼 액체에서 기체로 상변화한다. 기체는 저밀도로 부력에 의해 상승해 배관을 따라 이동하고 기체가 빠져나간 배관에는 빠져나간 체적만큼의 액체가 유입된다.

 

■ 2상 열전달기술과 차이점은

피동형 2상 D2C는 냉매의 자연대류를 활용하므로 써모사이폰(Thermosyphon)에 가까운 방식이다. 이는 윅(Wick)의 모세관 효과로 동작하는 히트파이프나 베이퍼챔버를 활용한 방식뿐만 아니라 기존 써모사이폰방식과도 구별된다.

 

기존 써모싸이폰 방식은 △유체 순환 정체 △증발부대비 작은 응축부 면적 △냉매비산으로 인한 액체이송 등 성능문제로 용량향상이 제한됐다. 스탠더드시험연구소의 피동형 2상 D2C 냉각시스템은 특허기술과 최적화된 계통설계를 바탕으로 냉각효율을 극대화했다.

 

 

■ 피동형 2상 D2C 냉각시스템의 차별점은

스탠더드시험연구소의 피동형 2상 냉각시스템은 각각 증발기와 응축기 관련 특허와 계통설계를 바탕으로 냉각효율 극대화를 도모했다.

 

한국전자통신연구원(ETRI)로부터 기술이전한 증발기술은 냉매의 증발과정에서 액체와 기체의 분리정확성을 개선했다. 데이터센터와 같이 대규모 냉각시스템을 운영하는 시설일수록 냉매의 상태에 따른 분리가 냉각효율에 주요변수로 기능한다. 응축기단에서의 특허는 랙 응축기에 액체와 기체상태를 분리, 전달해 응축효율을 높이는 기술과 관련된다. 이외에도 두 가지 기술특허를 출원해 총 4개의 독자기술을 토대로 냉각시스템 효율을 향상했다.

 

또한 피동형 냉각시스템은 능동형시스템에 비해 △냉각정지 안전성 △관리편의성 △운전편의성 등에 강점이 있다. 냉각정지 안전성은 냉각방식이 공랭식에서 수랭식으로 이행하는 과정에서 중요성이 커졌다. 컴퓨팅 전원과 냉각전원이 분리돼 컴퓨팅시스템 운전 중에 냉각시스템 정지사고가 발생할 수 있다.

 

전기와 기계적 측면의 정지가능성은 컴퓨팅시스템의 안전성 보장여부와 직결된다. 자체 목업테스트를 수행해 단상 액침냉각과 단상 D2C 냉각시스템은 냉각시스템 정지 시 1분 이내 컴퓨팅시스템이 셧다운되는 결과를 확인했다.

 

스탠더드시험연구소의 피동형 냉각시스템은 랙 내부에서 전원 없이 동작해 랙 외부로 열을 방출하는 TCS(Technology Cooling System) 또는 FWS(Facilities Water System) 계통 정지에 대비해 5분 이상 냉각시스템을 지속하도록 설계됐다. 냉각시스템 정지를 5분 지연하면 사용자는 안전하게 컴퓨팅시스템을 정지시킬 수 있을 것으로 기대한다.

 

피동형 2상 냉각시스템은 전자적인 제어가 없어 펌프 등 대다수 부품이 불필요하다. 이는 냉각시스템을 간소화해 전체 구성품과 관리대상 부품 수를 줄인다. 수요처에서 제품을 실제로 확인한 뒤 간소한 구성에 놀라는 반응도 있었다.

 

또한 4개의 계측기(온도센서 2개, 압력센서 1개, 수위센서 1개)만으로 랙 단위 냉각시스템 전체 모니터링이 가능하다. 냉매도 유출 및 오염이 없다면 정기검사로 반영구적 사용이 가능한 점 역시 관리편의성을 향상시킨다.

 

무전원 동작은 시스템 안전성과 함께 운전편의성도 제고한다. 컴퓨팅시스템 내 서버의 동작과 정지에 따른 칩 발열이 냉각시스템의 운전을 결정하므로 냉각시스템에 대한 별도의 제어 없이도 안정적인 운전이 가능하다.

 

 

■ 기술적 한계 및 적용조건은

피동방식은 상변화를 통한 자연대류를 활용하기에 기체를 다시 액체로 변환하는 응축기를 랙 최상단에 배치해야 한다. 단상 D2C의 인랙(In-rack) CDU와 유사한 역할의 장치로 위치변경이 불가하다. 2상 냉매를 사용하는 능·피동 냉각시스템은 공통적으로 랙 상단을 차지하는 부피 부담이 있다.

 

■ 피동형 2상 D2C는 어떤 DC환경에 가장 적합한가

피동형 2상 D2C는 고온 액체냉각 환경에 적합하다. GPU 성능이 향상됨에 따라 칩 발열량도 대폭 늘었다. 엔비디아 기준 차세대 GPU는 45℃의 고온수냉각이 예상된다. 온도차에 따른 상변화를 활용한 피동형 2상 D2C는 차기 냉각시스템에 가장 적합하다.

 

2상 냉매를 사용하면 잠열로 열을 전달하므로 적은 유량과 낮은 입·출구 온도차만으로도 냉각이 가능하다. 외기온도가 높아도 시스템압력이 충분히 높아 기체냉매를 응축할 수 있다면 냉각시스템이 가동된다. 피동형 2상 냉각은 펌프 및 제어에 전력을 전혀 사용하지 않아 능동형 냉각대비 전력소모가 적다.

 

차세대 데이터센터는 고온수 냉각환경에 적합한 냉각방식이 적용될 예정이다. ASHRAE 액체냉각 가이드라인에 따르면 냉각설비의 최대허용 공급온도가 45℃를 초과하는 경우 ‘W+’ 등급으로 분류돼 이에 해당되는 AI 데이터센터는 프리쿨링(Free Cooling)이 가능한 설계가 요구된다. 2상 냉매를 활용한 피동형 냉각시스템은 잠열을 활용해 적은 유량과 낮은 입·출구 온도차로도 냉각이 가능하다. 또한 외기온도가 높아도 기체냉매 응축에 필요한 시스템압력이 충분하다면 안정적 냉각이 가능하다. 무전원 동작특징도 냉각시스템 전력소모를 줄이는 프리쿨링시스템에 적합하다.

 

■ 기술도입 파트너로 염두에 둔 곳이 있나

실증파트너로 국내 NPU(Neural Processing Unit) 팹리스기업을 고려하고 있다. 자사의 냉각시스템은 고성능 서버제조사를 대상으로 개발됐다. HPC 서버는 범용제품으로 모델과 GPU의 종류가 광범위한 반면에 NPU서버는 제한적 모델로 실증 및 사업화 연계가 용이하다. 또한 국내 NPU 팹리스는 스타트업 중심으로 사업화에 의욕적일 것으로 기대한다.

 

■ 관련 남은 기술적 과제는

증발기의 방열솔루션을 개선하는 과제가 남아있다. 현재 베이퍼챔버 기준 cm³당 100W 수준의 성능을 달성했으나 향후 점차 높아질 AI GPU 칩의 발열밀도를 고려해 cm³당 150W 이상을 목표하고 있다. 이를 위해 BEC(Boiling Enhancement Coating)가 적용된 방열솔루션 개발 중이며 2027년까지 시작품 개발 및 성능검증을 마치고 2028년까지 cm³당 250W을 목표로 성능을 고도화할 계획이다.

 

■ 데이터센터 환경적용을 위한 관문은

내년까지 랙당 100kW 규모 실증에 나설 계획이다. 실증에는 데이터센터의 협조가 필요하기 때문에 관련 협의를 위해 테스트베드 개선 및 데이터센터 운영사 협조를 위해 노력하고 있다.

 

■ 2상 냉각시스템 성능측정 시 가장 적합한 평가기준은

통상적인 성능지표인 PUE 외에도 ERF(Energy Reuse Factor)가 데이터센터 냉각시스템 핵심 성능평가지표가 될 것으로 기대한다. AI GPU 발열이 커짐에 따라 입구온도 45℃ 이상 고온수 냉각으로 냉각기술의 초점이 맞춰지고 있다. 이에 따라 냉각 출구온도가 55℃ 이상의 폐열이 발생한다. 이에 따라 폐열활용과 관련한 지표가 성능평가에 관여할 것으로 예상한다.

 

한편 능동형 2상 D2C 냉각기술기업 ZutaCore에서 엔비디아 B200으로 검증한 바에 따르면 2상 냉매를 사용한 냉각시스템은 능·피동형 모두에서 고온 냉각수 활용이 용이하다고 밝혀졌다.

 

■ 데이터센터 냉각기술연구 발전을 위해 업계 제언한다면

국내 연구개발은 과학기술정보통신부를 통한 시제품 해외검증 지원사업이 추진 중이나 개발사의 최종목표는 완성품 HPC 제조사와의 협업이다. 해외시장은 데이터센터 냉각기술 선도기업과 서버제조사 간 협업으로 실제 GPU서버 대상 대규모실증이 활발히 진행 중이다.

 

또한 HPC 제조사와의 협업을 위해 산·학·연이 새로운 냉각기술을 경험하고 기술혁신을 요구해야 한다. 다가올 AI DC 시대에 대응해 신기술을 주저하지 말고 도입할 것을 제안드린다.