생성형 AI가 산업계에 돌풍을 일으키며, 데이터센터에도 비상이 걸렸다. 24시간 안정적으로 가동돼야 하는 데이터센터는 막대한 전력 소비가 불가피하기 때문으로, 열 관리를 통한 에너지 절감 필요성이 강조되고 있다. 특히 중앙처리장치(CPU)·그래픽처리장치(GPU) 등 연산 장치가 천문학적 분량의 AI 데이터를 연산할 때 내뿜는 열은 상상을 초월한다. 이에 데이터센터 총 사용 전력의 약 45%가 열을 식히는 ‘쿨링’에 사용될 정도로, 열 관리를 위한 ‘냉각 시스템’의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 관련 업계에 따르면 데이터센터 냉각 시장은 매년 20~30% 가량 성장할 것으로 전망된다. 이에 5년 내에 40조원 규모로 확대될 것으로 예측된다. 데이터센터에 적합한 쿨링 시스템을 효율적으로 운영함으로써 에너지를 절감하는 것이 중요해지면서 데이터센터 쿨링 시장을 둘러싼 경쟁도 치열해지고 있다. 

인공지능(AI)은 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술로 자리매김하며 우리 삶의 다양한 영역에서 혁신을 주도하고 있다. 눈부신 AI 발전 뒤에는 방대한 데이터 처리와 복잡한 알고리즘 연산을 수행하는 데이터센터의 숨은 공로가 있다. 그러나 AI 기술의 고도화는 데이터센터의 전력 소비와 발열 문제를 심화시키고 있으며, 이는 AI 기술의 지속 가능한 발전을 위한 중요한 과제로 떠오르고 있다. 데이터센터는 서버, 스토리지, 네트워크 하드웨어 및 기타 다양한 장치에서 소비되는 전기 에너지가 열 에너지로 변환되기 때문에 매우 뜨겁다. 따라서 데이터센터에는 온도를 조절하고 장비의 적절한 기능과 수명을 보장하기 위한 효과적인 냉각 시스템과 방법이 필수적이다. 이런 시스템은 서버 룸의 열 에너지를 외부로 방출한다. 수년 동안 공기는 열 교환을 위한 가장 중요한 매개체였다. 열 에너지를 방출하려면 차가운 공기가 모든 중요 구성 요소를 통과해야 한다. 이런 공기 순환은 데이터센터 소음의 주된 원인 고성능 팬과 대형 방열판을 통해 이루어진다.

공랭식 냉각의 한계 : 뜨거운 공기와 엄청난 소음
일반적인 데이터센터의 소음 수준은 70~80dB이며, 때로는 최대 90dB에 이르기도 한다. 비교를 위해 일반적인 대화는 60dB, 진공 청소기는 약 75dB, 알람 시계의 벨소리는 약 80dB이다. 만약 85dB 이상의 소음에 장시간 노출되면 영구적인 청력 손실을 초래할 수 있다. 일반적인 공랭식 냉각 시스템은 먼저 바닥 환기구를 통해 데이터센터의 냉기 통로(Cold Aisle)로 차가운 공기가 유입된다. 차가운 공기는 서버 랙을 통과하면 열을 가져와 상부의 열기 통로(Hot Aisle)로 열을 전달한다. 마지막으로 천장 통풍구를 통해 가열된 공기를 흡입해 CRAC(Computer Room Air Conditioning) 장치로 냉각하는 과정을 반복한다. 아래의 그림은 공랭식 냉각 시스템의 개략적인 순환 과정을 나타낸 것이다.
최근 몇 년 동안 서버 인클로저의 전력 요구량이 인클로저당 5~7kW에서 최대 50kW, 경우에 따라서는 100kW 이상으로 급격히 증가하면서 IT 장비에서 발생하는 열도 급격하게 증가했다. 하지만 기존의 공랭식 냉각 방식은 공기 분자의 열 전달 효과의 한계 때문에 이런 새로운 현실에 대응하기에 역부족이다.

AI 데이터센터, 냉각 기술이 중요한 이유와 작동 원리
AI 데이터센터는 자연어 처리, 이미지 인식, 빅데이터 분석 등 다양한 AI 서비스를 제공하기 위해 고성능 서버를 갖추고 있다. 이러한 서버들은 엄청난 양의 데이터를 처리하면서 막대한 열을 발생시키는데, 이 열을 효과적으로 관리하지 못하면 시스템 오류, 성능 저하, 장비 수명 단축 등 심각한 문제를 야기할 수 있다.

전통적으로 데이터센터에서는 공랭식 냉각 시스템을 사용해왔지만, AI 기술의 발전과 함께 컴퓨팅 수요가 급증하면서 공랭식 냉각 시스템만으로는 한계에 부딪히게 됐다. 이에 따라 수랭식 냉각 시스템이 새로운 대안으로 주목받고 있다. 수랭식 냉각은 냉각수를 사용해 열을 직접 흡수하고 방출하는 방식으로, 공기보다 열 전달 효율이 훨씬 높아 데이터센터의 발열 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 냉각수는 열을 흡수하여 냉각 라디에이터로 운반하고, 라디에이터에서 열을 방출한 후 다시 시스템으로 돌아가는 과정을 반복한다. 데이터센터에서 사용되는 수랭식 냉각 방식은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째가 직접 칩 냉각(Direct-to-Chip Cooling, D2C)이다. 이는 가장 많은 열을 발생시키는 프로세서나 칩에 냉각 블록을 직접 부착하여 냉각수를 순환시키는 방식이다. CPU, GPU 등 특정 부품의 열을 집중적으로 관리하는 데 효과적이다. 두 번째는 액침 냉각(Immersion Cooling)으로 서버 전체 또는 주요 부품을 비전도성 액체에 담가 냉각하는 방식이다. 냉각수와 하드웨어 사이의 직접적인 접촉을 통해 열을 효율적으로 분산시키며, 에어컨이나 대규모 덕트 공사가 필요 없다는 장점이 있다.

수랭식 냉각, 왜 필요할까?
수랭색 냉각 시스템은 데이터센터 운영에 다양한 이점을 제공한다. 우선 냉각 효율 극대화할 수 있다. 수랭식 냉각은 공랭식 냉각보다 훨씬 높은 열 전달 효율을 제공해 서버의 온도를 안정적으로 유지하고 과열 위험을 줄인다. 이를 통해 하드웨어 성능을 최대한 활용하고 시스템 안정성을 높일 수 있다. 에너지 절감 효과도 크다. 수랭식 냉각 시스템은 공랭식 냉각 시스템보다 에너지 소비량이 적어 전력 비용을 절감하고 데이터센터 운영 비용을 줄이는 데 기여한다. 또한 공간 활용도 증대할 수 있다. 수랭식 냉각 시스템은 공랭식 냉각 시스템에 필요한 에어컨 및 덕트 공간을 줄여 데이터센터 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 해준다. 이와 함께 친환경 데이터센터를 구축할 수 있다. 수랭식 냉각은 에너지 소비를 줄이고 탄소 배출량 감소에도 기여해 친환경적인 데이터센터 운영을 가능하게 한다.

수랭식 냉각, 미래 데이터센터의 핵심
AI 기술의 발전과 함께 데이터센터의 냉각 기술은 끊임없이 진화하고 있다. 수랭식 냉각 기술은 냉각수 재료 개선, 시스템 설계 최적화 등 다양한 연구 개발을 통해 더욱 발전할 것으로 예상된다. 특히 냉각 효율성을 높이고 환경 친화적인 냉각수 개발, 데이터센터 설계와 액체 냉각 시스템의 통합 등이 주요 과제로 꼽힌다. 수랭식 냉각 기술은 AI 시대의 데이터센터 운영에 필수적인 요소로 자리매김할 것이다. 수랭식 냉각 기술의 발전은 AI 기술의 지속적인 성장을 뒷받침하고, 더욱 효율적이고 친환경적인 데이터센터 운영을 가능하게 할 것이다.

AI 데이터센터 구축 늘자 떠오른 ‘액침냉각’
국내선 정유업계가 액침냉각 사업을 주도하고 있다. 10일 업계에 따르면 국내 4대 정유사인 SK이노베이션, GS칼텍스, 에쓰오일, HD현대오일뱅크 모두 데이터센터 액침냉각 윤활유 사업을 본격화하고 있다. SK이노베이션 자회사 SK엔무브가 지난 2022년 국내 최초로 냉각 플루이드(Thermal Fluids) 개발에 뛰어든 이후 올해를 기점으로 4개사 모두 액침냉각 시장에 참전한 것이다.

데이터센터를 운영하는 데 있어 전력량과 발열량을 잡는 것이 핵심 과제로 꼽힌다. 업계 관계자는 “AI 데이터센터는 기존 데이터센터보다 전력량이 7배 이상 소모된다”면서 “특히 데이터센터 장치 성능 저하를 막기 위해선 냉방에 많은 전력이 필요하다”고 했다. 이를 해결하려는 방안으로 떠오른 기술이 액침냉각이다. 액침냉각은 전기가 흐르지 않는 비전도성 기름에 데이터센터 서버 등을 직접 담가 열을 흡수하는 기술이다. 기존 공랭식 냉각은 공기 냉각에 필요한 팬이나 송풍기가 필요했지만, 액침냉각은 이러한 장치가 필요 없어 전력 소비를 절감할 수 있다.

시장 전망은 밝다. 시장조사업체마다 구체적으로 제시하는 수치는 다르지만 “시장이 빠르게 성장할 것”이란 게 공통된 의견이다. 퓨처마켓인사이트는 글로벌 액침냉각 시장 규모가 2022년 3억3000만달러(약 4550억원)에서 2032년 21억달러(약 2조9000억원)로 확대돼 연평균 21.5%씩 성장할 것으로 전망했다. 마켓츠앤마켓츠는 2030년 예상 시장 규모를 17억1000만달러(2조3550억원)로 추정했다. 액침냉각 기술이 적용된 데이터센터는 기존 설비보다 전력 소비량을 약 30% 이상 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

삼성∙SK, ‘액침냉각’ 대응
삼성전자와 SK하이닉스가 자사 반도체를 대상으로 ‘액침냉각(Immersion cooling)’ 기술 검증에 돌입했다. 차세대 서버 냉각솔루션인 액침 냉각 시장 개화에 선제 대응하려는 포석이다. 기술 검증 결과는 차세대 반도체 개발 방향에도 영향을 미칠 수 있어 주목된다. 26일 업계에 따르면 삼성전자와 SK하이닉스는 자사 메모리 반도체에 대한 액침냉각 테스트를 진행한 것으로 파악됐다.

액침냉각은 비전도성 유체인 액침냉각유(쿨런트)에 서버를 직접 담가 식히는 방식이다. 지금까지 서버는 공기를 이용한 공랭식이나 물을 이용한 수랭식으로 열을 낮춰왔다. 액침냉각은 높은 열전도율을 가진 쿨런트로 열을 흡수하고 열교환기로 열을 재방출하는데, 냉각 효율과 비용 측면에서 우수해 차세대 솔루션으로 꼽힌다. 다만 액침냉각 방식은 반도체 칩과의 화학적 반응 검증이 필수다. 반도체 칩이 쿨런트가 직접 맞닿기 때문에 온도와 성분에 따라 성능이 좌우되기 때문이다. 삼성전자와 SK하이닉스가 여러 액침 냉각 조건에서 반도체 구동 여부와 결함을 테스트하는 이유다. 반도체는 회로 집적도가 높을수록 발열이 심한 만큼 향후 액침냉각이 반도체 성능 개선 방향에도 영향을 줄 수 있다. 업계 관계자는 “액침냉각 환경에서는 발열 허용치를 더 높일 수 있어 보다 고집적·고성능에 초점을 맞춰 반도체를 개발할 수 있다”고 설명했다.

아직 초기 시장이지만 액침냉각 잠재력은 매우 크다. 인공지능(AI) 등 첨단 반도체 발열 심화로 냉각을 위한 전력 사용량이 폭증하고 있어서다. 액침냉각을 사용하면 냉각 효율이 높아져 전력 사용량을 30~40% 줄일 수 있다. 공랭식(7~8m) 대비 필요 층고도 절반 가까이 줄어 데이터센터 건설비도 절감할 수 있다. 냉각팬이 없어 소음이 없고 진동·습도에 따른 서버 수명 저하도 피할 수 있다는 것도 장점이다. 업계 관계자는 “AI 인프라를 구축하려는 데이터센터 기업들이 전력 소모를 최소화하는 방안으로 액침냉각을 주목하고 있다”며 “시장 관심이 커진 만큼 반도체 기업들이 이에 단계적으로 대응해 나갈 것”이라고 밝혔다.
시장조사업체 옴디아에 따르면 데이터센터 열 관리 시장 규모는 지난해 76억7000만 달러로, 이중 액체를 활용한 냉각 시장 규모는 10억 달러(약 1조3901억원) 수준이다. 냉각판을 활용한 간접 액체 냉각 솔루션이 우선 확대 적용된 후 액침냉각도 늘어날 것으로 관측된다.

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