글: Andy Smith
데이터 센터는 전 세계의 시스템 작동과 데이터 저장, 연결 및 통신을 가능하게 해주어 현대 산업의 거의 모든 분야에서 중추적인 역할을 하고 있습니다. 통신, 전자상거래, 미디어, 의료, 금융, 교육, 보안 및 제조 분야가 모두 데이터 센터의 지원을 받습니다. 하지만 이러한 데이터 센터의 열 관리는 커다란 과제임에도 불구하고 간혹 등한시되고 있습니다.
본 기사는 오늘날 데이터 센터가 효율적이고 효과적으로 기능할 수 있게 해주는 보드, 하위 시스템 및 시스템 수준의 냉각 기술을 조명합니다.
데이터 센터 냉각 시스템이 매우 중요한 이유
데이터 센터 열 관리는 장비 안정성, 에너지 효율, 데이터 손실 방지, 성능 최적화, 안전, 비용, 운영 효율 및 환경 영향 최소화를 위해 필수입니다.
열 관리가 효율적으로 이루어지면 각 전자 구성품이 최적의 온도 범위 내에서 작동하게 되고 구성품 수준에서의 에너지 소비도 최적화됩니다. 구성품의 온도가 상승하면 내부 저항도 높아져서 성능이 저하되거나 전체적인 전력 소비가 증가할 수 있습니다. 구성품이 충분히 냉각되지 않으면 계산 시 에너지 소비가 크게 증가할 수 있습니다. 반대로, 냉각 시스템이 냉각을 과하게 하거나 비효율적으로 할 경우 최적화된 계산 에너지 소비를 유지하기 위해 불필요한 에너지 소비가 발생할 수 있습니다.
데이터 센터 비용은 에너지 소비와 직접적으로 관련이 있습니다. 효율적인 열 관리 전략은 전반적인 운영비를 줄여줍니다. 계산 에너지 소비 비용에 대한 냉각 시스템 에너지 비용을 최적화함으로써 데이터 센터 운영자는 운영 비용을 최소화하고 계산 성능 요구를 충족할 수 있습니다.
데이터 센터 냉각의 세 가지 수준
보드 수준의 냉각
데이터 센터에서 주로 열이 발생하는 곳은 CPU, GPU, TPU 같은 처리장치입니다. 이 같은 보드 수준의 구성품은 적절한 내부 온도를 유지하기 위해 효과적인 열 분산을 필요로 합니다.
보드 수준의 냉각을 위한 가장 일반적인 방법은 열 흡수를 위한 매개체로 공기를 이용하는 것입니다. 데이터 센터 보드는 수동 방열판, 히트 파이프, 증기 챔버, 능동 냉각 팬, 송풍기 같은 공기를 이용한 냉각 장치를 사용합니다.
공냉식 열 관리 시스템이 적절한 냉각 성능을 제공하지 못할 경우 액체 냉각 시스템을 사용할 수 있습니다. 수냉식 CPU, GPU, ASIC 및 연산 가속기는 기존의 냉각 방식으로는 다 처리할 수 없을 정도로 많은 열을 발생시키는 하드웨어 요구 사항이 특수한 고밀도 데이터 센터에서 확인할 수 있습니다. 액체 냉각은 AI 학습, 과학 시뮬레이션, 복잡한 데이터 분석, 그래픽 렌더링 같은 고성능 연산(HPC) 작업에 일반적으로 사용되는 이 같은 유형의 하드웨어에서 열 분산을 더 효과적으로 해줍니다.
하위 시스템 냉각
액체 냉각은 모든 데이터 센터에 사용할 수 있지만 복잡성과 비용이 커서 범용 냉각 솔루션으로 사용되는 일은 드뭅니다. 많은 데이터 센터들이 섹션별로 여러 가지 냉각 기술을 활용합니다. 국부적 액체 냉각 시스템의 경우, 포집된 열이 액체를 통해 공기 중으로 분산된 후 나머지 데이터 센터의 공냉식 냉각 시스템들로 전달되는 경우가 있습니다.
공기 흐름 관리는 데이터 센터 열 관리의 핵심 기술입니다. 대부분의 데이터 센터 보드가 랙에 배열되어 있다고 가정할 경우, 랙 수준의 냉각 시스템들이 데이터 센터의 한 섹션에서 다른 섹션으로 공기를 흘려보내는 전용 냉각 장치들이나 랙 마운트형 팬들을 구성할 수 있습니다.
데이터 센터는 일반적으로 냉복도(hot aisle)와 온복도(cold aisle)로 구성되어 있어서, 서버의 한쪽 면은 차가운 복도를 바라보고 있고 반대쪽 면은 뜨거운 복도를 바라보고 있습니다. 랙 수준 냉각 장치와 팬은 냉복도에서 공기를 끌어와 랙을 통과시켜 보드와 구성품들을 식힌 다음 온복도로 공기를 배출합니다. 온복도 차폐(HAC) 솔루션이 물리적인 차단막과 도어를 이용하여 복도를 둘러싸서 주변 공기나 냉각된 공기와 섞이는 것을 최소화함으로써 효율성을 유지해줍니다.
공냉식 랙 냉각의 대안인 냉수 분배 장치와 액체 냉각 분배 장치(CDU 및 LCDU)는 냉수를 랙 전체와 각 보드 수준 액체 냉각 장치들로 순환시킵니다. CDU는 냉각수 루프, 펌프, 그리고 수요에 따라 냉각수를 분배할 수 있는 제어 시스템으로 구성되어 있습니다. 랙 안에서 발생하는 열을 데이터 센터 수준의 공냉식 또는 수냉식 냉각 시스템으로 내보내는 열 교환기의 형태를 띠기도 합니다.
데이터 센터 하위 시스템 냉각 방식으로는 가장 드문 형태인 액침 냉각은 고성능 연산 및 기술 섹터에 사용됩니다. 이 시스템은 서버 하드웨어 시스템 전체를 액체 유전체에 담가서 보드 구성품 전체를 동시에 직접 냉각시키는 방식입니다. 이 냉각 방식은 냉각 성능이 뛰어나지만 고도로 전문화된 인프라가 필요하며 AC나 냉수 냉각 시스템 만큼 확장성이 없습니다. 또한 액체 유전체가 값이 비싸고 소모품이며 보관하기가 까다롭고 환경에 유해할 수 있어서 대부분의 데이터 센터에서 이것을 아껴서 사용하고 있습니다.
시스템 수준 냉각
데이터 센터 전체를 냉각하기 위해서는 전반적인 인프라, 에너지 소비 및 위치 계획에 대한 충분한 선견지명이 필요합니다. 시설 내의 전체적인 온도, 습도 및 환경 조건에 따라 몇 가지 시스템이 사용됩니다. 어떤 시스템을 사용할 것인지는 산업 분야와 데이터 센터의 예상 수요/활용도에 달려 있습니다.
정밀 에어컨 시스템
컴퓨터실 에어컨 장치와 같은 정밀 에어컨 시스템이 가장 일반적인 데이터 센터 냉각 시스템입니다. CRAC 장치는 냉각된 공기를 이용하여 랙을 식히고 이를 위해 중앙 냉방 사이클을 활용하여 가열된 공기를 외부로 배출시키는 데이터 센터에서 사용합니다.
CRAC 장치는 정밀한 온도 및 습도 제어 및 공기 여과 기능을 제공하는데, 이러한 기능은 민감한 장비와 데이터 저장을 위해서는 매우 중요하지만 HPC 부문에는 다소 적합하지 않습니다. CRAC 장치의 냉각 공기 분배 시스템은 온복도/냉복도 구성에서부터 바닥에서 천장으로 향하는 상향식 분배 시스템까지 다양합니다. 정밀 에어컨 시스템은 데이터 저장량이 많고 매일 일정한 수요가 발생하며 HPC 랙이 적은 은행, 의료, 기술, 전자 상거래 및 엔터테인먼트 부문의 데이터 센터에서 흔하게 볼 수 있습니다.
상향식 랙 냉각 방식의 예
냉수 시스템
냉수 시스템은 데이터 센터 전체를 순환하는 냉각 매체로 물을 사용합니다. 순환수식 냉각 시스템이라고도 부르는 이 시스템은 계산 부하가 높은 산업군이나 확장성을 고려하여 초대형 데이터 센터에서 활용됩니다. 냉수 시스템은 에어컨에 비해 효율성이 더 높고 훨씬 더 많은 열 부하를 처리할 수 있어서 하루 동안 계속 변화하는 열 수요를 관리할 수 있습니다.
그리고 냉수 시스템은 다수의 중복성을 제공하기 때문에 전체 시스템을 더욱 더 안정화합니다. 안타깝게도 냉수 시스템은 초기 비용이 더 많이 듭니다. 중앙 시스템, 분배 배관, 그리고 랙 수준 냉각 시스템은 에어컨 냉각 시스템보다 더 비쌉니다. 그리고 이 시스템들은 누출에 취약할 수 있어서, 값비싼 서버 하드웨어가 손상되는 것을 피하기 위해 전문적인 설치 및 유지보수 인력이 필요합니다.
하지만 냉수 시스템은 안정성, 확장성, 그리고 시스템 열 용량이 커서 통신, 정부, 에너지/공익사업/ 보안, 제조 및 과학 부문에서 많이 활용하고 있습니다. 냉수 시스템은 연산 밀도나 전체적인 규모로 볼 때 연산 부하가 높은 시스템에서 선호되는 냉각 방식입니다.
프리 냉각 시스템
프리 냉각 시스템은 데이터 센터의 냉방을 위해 외부의 환경 조건을 활용합니다. 프리 냉각 시스템은 기계식 냉각 시스템에 거의 의존하지 않으므로 에너지 효율성이 우선시되는 경우에 사용됩니다. 이 시스템은 외부의 차가운 공기를 가져와서 여과하고 이 공기로 데이터 센터 랙을 식힌 후에 따뜻해진 공기를 다시 외부 환경으로 배출합니다. 이 시스템은 외부 환경이 뒷받침되는 곳에만 존재하기 때문에 대중성이 낮으며, 연산 수요가 낮은 일부 업계에서만 사용할 수 있습니다.
데이터 센터 냉방은 기본입니다
데이터 센터 냉방 시스템의 대부분은 전통적인 에어컨 시스템이거나 냉수 시스템입니다. 데이터 센터의 열 밀도, 사용 가능한 공간, 지리적 위치, 그리고 비용 제약 사항이 이 두 시스템 중 어떤 시스템을 선택할 것인지를 결정하는 가장 일반적인 요인입니다. 보다 발전된 HPC 데이터 센터는 가장 우수한 열 관리 솔루션을 제공하는 복잡한 액침 열 관리 시스템으로 구성되어 있을 것입니다. 하지만 이 시스템은 비용과 복잡성 때문에 널리 사용되고 있지 않습니다. 보드, 하위 시스템 및 데이터 센터 수준 냉각 시스템들의 고도로 맞춤화되는 설계는 주로 업계의 요구 사항, 확장성, 안정성 및 에너지 효율성 목표에 따라 달라집니다. 어찌 됐든, 오늘날 데이터 센터 운영을 위해서는 열 관리 솔루션이 필수입니다.
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