AI 및 기타 전력 집약적인 워크로드 채택이 증가하고 에너지 소비를 줄어야 한다는 규제 압박으로 인해 데이터센터에서 수랭 시스템으로의 전환이 느리지만 꾸준히 이뤄지고 있다. 

IDC 애널리스트 션 그레이엄에 따르면, 오늘날 데이터센터의 22%가 수랭 시스템을 사용하고 있다. 향후 10년간의 성장이 예상된다. 글로벌 마켓 인사이트에 따르면, 전 세계 데이터센터 수랭 시스템 시장은 2022년에 20억 달러로 추정되며, 2023년부터 2032년까지 연평균 15%의 성장률을 보일 것으로 예상된다.

수랭 시스템에 대한 관심이 급증하는 이유는 다음과 같다. 

– 데이터센터는 에너지를 많이 소비한다. 

– 데이터센터의 에너지 사용량 상당 부분은 냉방이 차지한다.

– 에너지 효율에 대한 관심이 증가하고 있다.

– 서버 랙 밀도가 증가하고 있다.

공랭식 냉각은 랙당 20kW가 넘으면 한계에 도달하기 시작한다. 일반적인 공랭 시스템은 15~20kW에서 최고치를 기록하고, 밀폐형 랙 기반 냉각은 최대 30kW까지 올라간다. 하지만 IDC의 그레이엄에 따르면, 수랭 시스템은 20kW 이상의 랙 밀도를 지원한다.

일부 데이터센터 운영자는 공기로 냉각할 수 없기 때문에 고밀도 랙을 사용하지 않고 동일한 워크로드를 여러 랙에 분산시킨다고 설명했다.

하지만 AI 워크로드가 급증하면서 이로 인한 문제가 발생하고 있다. 특히 생성형 AI가 매우 빠르게 발전하면서 업계에 급격한 변화를 가져오고 있다. AI 워크로드는 많은 양의 데이터를 빠르게 이동하므로 컴퓨팅 성능을 통합하려는 노력으로 이어진다는 점도 데이터센터 산업이 직면한 또 다른 문제다.

물론 데이터센터 전체를 교체하는 것은 많은 비용이 들며, 일반적으로는 불필요한 작업이다. 공랭식 냉각으로도 잘 작동하는 워크로드가 여전히 많이 있기 때문이다. 따라서 가까운 미래에 수랭 시스템을 도입하는 데이터센터 대부분은 아마도 하이브리드 방식으로 도입할 것으로 예상된다.

데이터센터는 일반적으로 수명이 긴 편이며, 기업은 수명 주기가 끝나기 전에 값비싼 장비를 철거하려고 하지 않을 것이다. 따라서 대부분 데이터센터 운영자는 실용적인 수랭 시스템 방식을 채택하게 될 것이다.

오늘날 대부분 데이터센터는 개별 칩, 서버 주변, 그리고 궁극적으로는 건물 전체로 공기를 이동시키는 여러 팬으로 냉각한다. 시끄럽고 비용이 많이 들며 비효율적인 시스템이다. 하지만 액체는 공기보다 열을 더 효율적으로 전달할 수 있다. 예를 들어 스미스는 “자동차에는 열을 이동시키는 일종의 액체로 된 라디에이터가 있다”라고 덧붙였다.

기존 공랭식 데이터센터에 수랭 시스템을 추가하는 방법은 여러 가지다. 가장 간단한 방법은 개별 서버 랙에 후면 도어 열교환기를 설치하는 것이다. 랙 뒤쪽에 있는 응축기가 차가운 액체를 공급하고 뜨거운 액체를 제거한다. 해당 장치가 후면 도어를 대체하며, 서버를 건드리지 않는 방법이다.

더 고급 버전은 모든 랙에 액체를 공급할 수 있는 전체 케이지 또는 서버 랙의 냉각 장치를 대체하는 것이다.

후면 도어 열교환기는 랙당 20~80kW의 랙 밀도를 처리할 수 있다. 또한 고밀도 워크로드를 위해 기존 데이터센터를 개조하는 훌륭한 방법이며, 가장 자주 접하는 수랭 시스템 기술이다.

칩 직접 냉각(direct-to-chip cooling) 시스템은 50~100kW의 랙 밀도를 처리할 수 있어 후면 도어 열교환기보다 훨씬 더 효율적이다. 방열판을 꺼내서 그 위로 액체가 흐르게 함으로써 열을 이동시키는 방법이다. 서버를 개조해야 하고 설정 및 유지 관리가 복잡하다는 특징이 있다.

칩 직접 냉각 시스템에서 액체는 액체마다 끓는점이 다르다. 액체로 유지되거나 증기로 변할 수 있는데 전자를 단상(single-phase), 후자를 2상(dual-phase) 시스템이라고 한다. 단상 시스템에서는 서버에서 열을 제거하기 위해 액체를 펌핑하고, 2상 시스템에서는 액체와 기체 상태가 자체적으로 순환된다.

수랭 시스템에 대한 또 다른 접근 방식은 액침 냉각(immersion cooling)이다. 액침 냉각이 랙당 50~250kW 밀도를 처리할 수 있는 3가지 접근 방식 중 가장 효율적이며, 컴퓨터를 기름과 같은 비전도성 액체가 담긴 통에 담그는 방식이다.

액침 냉각에 사용되는 액체는 열을 전도하지만 가연성이 없다. 단점은 매우 무겁다는 점인데, 스미스는 “이 정도 무게를 감당할 수 있는 데이터센터는 많지 않을 것”이라고 말했다.

하지만 칩 제조업체가 액침 냉각을 활용할 기회는 많다. 액체에 싸여 있지만 액체가 보이지 않는 닌텐도 카트리지처럼 보이도록 제작할 수 있을 것이다. 기름통을 두지 않고 완전히 잠겨 있는 새로운 폼 팩터 설계도 있다.

수랭 시스템을 채택하는 데에는 몇 가지 큰 장애물이 있다. 안전에 대한 우려, 교육 부족 외에도 표준의 부재가 대표적이다. 예를 들어, 특정 화학물질이 미국에서는 데이터센터 냉각에 허용되지만 독일에서는 허용되지 않을 수 있다. 또한 공급업체마다 크기와 구조가 다른 커플러를 사용할 수 있다. 이 때문에 SSI 얼라이언스에서는 여러 기업이 모여 데이터센터 표준을 마련하기 위해 협력하고 있다.

또 다른 장애물은 수랭 시스템을 다룰 수 있는 숙련된 데이터센터 직원이 부족하다는 점이다. 스미스는 “데이터센터 운영자 관점에서 가장 큰 문제는 ‘수랭 시스템을 지원하느냐’가 아니라 ‘운영할 수 있느냐’다. 현재 위치한 지역의 규제는 무엇인가? 어떤 종류의 액체를 허용하는지에 대해 고객과 어떻게 소통하고 있는가? 위반 시에는 어떻게 되는가? 등의 문제를 생각해야 한다”라고 말했다. 

일부 기업은 ‘완전 액침’에 대한 실험을 하기도 했다. 말 그대로 바다에 완전 담그는 것이다. 전 세계 인구 절반 이상이 해안에서 120마일 이내에 거주하고 있기 때문에 데이터센터를 수중에 두면 잠재적으로 업계에 혁명을 일으킬 수 있다.

2018년 마이크로소프트는 스코틀랜드 해안에서 117피트 깊이의 바다에 데이터센터 전체를 가라앉혔다가 2년 후 다시 인양했다. 마이크로소프트는 데이터센터의 대기가 공기가 아닌 질소로 채워져 있고 주변에 사물에 부딪히거나 부품을 뒤섞을 사람이 없기 때문에 수중 서버의 안정성이 지상 서버보다 8배 더 높다는 사실을 발견했다.

하지만 그 이후로 이 주제에 대한 마이크로소프트의 추가 소식은 없었다. 아마도 데이터센터를 물속에 넣는 데 따르는 물류상의 문제 때문일 수 있다. 

인공지능(AI) 열풍으로 데이터센터가 우후죽순 늘어나자 열을 식혀주는 냉각시스템 관련주가 차기 AI 수혜주로 주목받는다. LG전자가 최근 AI 데이터센터 대형 냉각시스템 공급의 물꼬를 튼 데 이어 에쓰오일 등 정유사도 수혜주로 부각되고 있다.

LG전자는 최근 미국 대형 데이터센터에 냉난방공조시스템(HVAC)을 공급하기로 했단 소식이 전해지면서 차세대 AI 관련 수혜주로 불리고 있다. LG전자의 칠러는 차갑게 만든 물을 열교환기를 통해 순횐시켜 시원한 바람을 공급하는 냉각설비다 .

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