한국설비기술협회(회장 김철영/유천써모텍) 데이터센터기술위원회(위원장: 연창근/한일엠이씨)는 11월 1일(화) The RAUM 컨벤션에서 업계 관계자 200여명이 참석한 가운데  ‘2022년도 추계데이터센터 기술세미나’를 개최했다고 밝혔다

최근 데이터센터 IT부하 증가 및 탄소중립 정책에 따라 데이터센터 냉각방식으로 주목받고 있는 Immersion Cooling(액침냉각)에 대한 기술 및 적용사례 소개와 관련업계 관계자들이 정보를 공유하는 교류회도 함께 열렸다.

1부와 2부로 나눠 진행된 이날 세미나에서는 △데이터센터 트렌드 및 동향(송준화 데이터센터효율협회) △국내 전력정책 및 데이터센터 전력수요 전망(박찬영 한전경영연구원) △데이터센터 냉각기술(조진균 한밭대) △고밀도 서버랙 냉각방식 설계사례(박배균 한일엠이씨) △데이터 센터를 위한 3M Fluids를 사용한 액침 냉각(배창완 3M) △Immersion Cooling을 위한 서버 소개(김영남 슈퍼마이크로) △해외 Immersion Cooling Tank 소개 및 적용사례(Etienne Gaillard) △국내 Immersion Cooling tank 솔루션 소개(고민건 삼화에이스) △데이터센터 쿨링을 위한 신기술 냉각 솔루션(최병화 삼화에이스)에 대한 주제 발표가 이어졌다.

김철영 회장은 인사말에서 “이번 추계데이터센터 기술세미나는 우리 업계 내에서 데이터센터 설비기술에 대한 가치와 중요성이 점점 커지면서, 데이터센터 기술교류 활성화를 위해 개최하게 됐다.”라며 “우리 협회 데이터센터기술위원회는 설계, 제조, 시공, 학계, 연구기관 등 다양한 전문가들로 구성해 데이터센터 산업 발전과 기술 보급을 위해 많은 노력을 기울이는 중이며, 앞으로도 데이터센터의 기술 발전을 위한 기술 토론 및 정보 교류의 장을 만들어 관련 업계 종사자들과 함께 상생해 나가는 업계 분위기를 만들어가겠다.”고 밝혔다.

연창근 위원장은 “최근 데이터센터 IT부하 증가 및 탄소중립 정책에 따라 데이터센터 냉각방식으로 주목받고 있는 Immersion Cooling(액침냉각)에 대한 기술을 공유하는 자리를 마련하게 돼 기쁘다.”라며 “앞으로 데이터센터 기술위원회은 데이터센터 산업발전을 위한 다양한 활동을 통해 데이터센터 기술발전에 밑거름이 될 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

송준화 데이터센터에너지효율협회 국장

데이터센터 트렌드 및 동향

송준화 데이터센터에너지효율협회 국장은 '데이터센터 트렌드 및 동향' 발표에서  “서울, 경기 등 수도권에 36개 데이터센터가 운영 중이며 2026년까지 약 12조원 이상이 투입돼 약 30개의 신규 상업용 데이터센터 구축 프로젝트가 추진 및 계획 중”이라고 말했다.

이어 송 국장은 “2021년 기준 상업용 데이터센터의 연간 전력 사용량은 약 4,808Gwh로 추정되며 데이터센터 구축 이용 증가에 따른 전력 사용량은 더욱 증가할 것으로 전망된다.”라며 “늘어난 전력 사용량으로 인해 이산화탄소 배출량 역시 증가할 것으로 예상되므로 앞으로 지속가능한 데이터센터를 위해서는 환경친화적인 센터 구축·운영이 핵심이 될 것”이라고 언급했다.

박찬영 한전경영연구원 부장

데이터센터 수도권 집중분산 위해 인센티브 및 규제제도 도입 등 추진

박찬영 한전경영연구원 부장은 ‘국내 전력정책 현황 및 데이터센터 전력 수요 전망’ 주제 발표에서 정부의 에너지정책 비전과 목표 그리고 5대 에너지 정책 방향을 요약 소개하고 국내 데이터센터 현황 및 수요분산을 위한 한전의 노력에 대해 설명했다.

정부 에너지정책 목표는 2030년까지 원전 비중 27.4%(2021년)에서 30% 이상으로 확대, 화석연료 수입 의존도 81.8%(2021년)에서 60%대로 감소, 에너지혁신벤처기업 2500개(2020년)에서 5000개로 성장시켜 기후변화 대응하고 에너지 안보를 강화하며 에너지 신산업 창출을 통해 튼튼한 에너지 시스템을 구현하는 데 있다.

5대 에너지 정책방향은 △실현 가능하고 합리적인 에너지 믹스의 재정립 △튼튼한 자원·에너지 안보 확립 △시장원리에 기반한 에너지 수요 효율화 및 시장구조 확립 △에너지 신산업의 성장동력화 및 수출산업화 △에너지 복지 및 정책수용성 강화 등이다.

박찬영 부장은 “국내외 데이터센터는 원격업무, 클라우드 등 글로벌 데이터사용량 급증으로 매년 10∼15% 수준 시장성장이 예측된다.”라며 “특히 한국은 저렴한 전기요금, 통신 인프라 그리고 싱가폴·홍콩 등 주변국 상황으로 외국계 IDC 진출이 가속화되고 있다.”고 언급했다.

우리나라는 전국에 146개(1,742MW)의 데이터센터가 운영 중인데 이 가운데 수도권에 86개인 59%(1,220MW(70%))가 밀집돼 있으며 우수한 인프라로 인해 신규 대용량 IDC 접수가 급증하면서 수도권 입지 편중이 심화되고 있다.

박찬영 부장은 “IDC 신규접수 폭증 등 수도권 집중현상으로 부족한 전력 공급을 위한 송변전 계통건설 및 운영비용 추가 발생 등 국가 전체 전력망의 비효율화를 유발할 수 있지만 비수도권 수요분산은 접근성, 통신규격, 임대수요 부족에 의한 경영악화 사례 등으로 현실적으로 어려움이 따른다.”라며 “한전은 데이터센터 수요분산을 위해 인센티브 및 규제제도 도입, 전력용량 여유정보 시스템 구축, 클러스터 특구 구축 추진 등의 노력을 기울이고 있다.”고 밝혔다.

조진균 한밭대 설비공학과 교수

IT전력 밀도에 따른 냉각시스템 계획 추진 필요

조진균 한밭대학교 설비공학과 교수는 ‘데이터센터 냉각기술’에 대한 주제발표에서 데이터센터의 비상시 안정성과 에너지효율에 대해 소개했다.

조진균 교수는 “2019년 서울시 에너지다소비건물 324개소 중 데이터센터는 14개소에 불과하지만 업종별 에너지사용량 및 단위면적당 사용량이 많은 건물의 상위 30개소 중 데이터센터가 9개소를 차지했다.”라며 “데이터센터는 에너지(전력) 사용량이 많은 만큼 장애 및 비상상황으로 인한 피해에 대비해야 하는 동시에 에너지효율를 위한 고효율 냉각설비가 필요하다.”고 말했다.

이어 “데이터센터의 보편적인 에너지 소비구조는 공조‧냉각분야 32%, 전력공급‧분배계통 11%로 non-IT분야에서 가장 큰 비율을 보이며 에너지(PUE) 절감의 핵심 요소로 꼽힌다.”라며 “국내 데이터센터의 평균 PUE는 1.8x로 IT전력 밀도에 따른 냉각시스템 계획이 추진돼야 한다.”고 강조했다.

데이터센터의 냉각시스템은 IT전력 밀도에 따라 △공간단위 냉각 (Room-based cooling) 방식 △열-기반 냉각(Row-based cooling) 방식 △랙-기반 냉각 (Rack-based cooling) 방식이 있다.

조진균 교수는 데이터센터 냉각시스템의 안정적이고 경제적인 설계 및 장비 선택을 위해서는 비상상황 시 냉각시스템 중단 후 허용 가동시간 분석이 중요하다며 사례분석 데이터를 소개했다.

사례 분석에 따르면 공간단위(room-based) 냉각시스템(냉수공급온도 7°C 및 CRAH 급기온도 15°C)은 열원시스템 중단 후 약 320초 동안 IT서버로 유입되는 공기의 온도가 ASHRAE 허용기준을 유지했다. 자연 상승온도 한계는 냉수공급온도 17°C 및 CRAH 급기온도 24°C이다.

열-기반(row-based) 냉각시스템은 2가지 조건에서 사례분석한 결과, 냉수공급온도 15°C 및 CRAH 급기온도 20°C 조건일 때는 열원시스템 중단 후 약 240초 동안 또 냉수공급온도 19°C 및 CRAH 급기온도 24°C일 때는 열원시스템 중단 후 약 85초 동안 IT서버로 유입되는 공기의 온도가 ASHRAE 허용기준을 유지했다.

조진균 교수는 “공간단위(room-based) 냉각시스템은 냉동기(열원) 가동이 중단되면 버퍼탱크에 저장해둔 냉수를 활용해 IT룸의 온도를 낮출 수 있는 만큼 적정한 용량과 시스템 구성에 대한 검토가 필요하고 열-기반(row-based) 냉각시스템은 고집적 데이터센터의 경우, 약 1분만에 데이터센터 온도가 40°C 이상 올라가 시스템에 치명적인 악영향 우려가 있는 만큼 에너지절약과 시스템의 안전성을 고려한 적정 급기온도 검토가 필요하다.”고 언급했다.

박배균 한일엠이씨 본부장

고밀도 서버랙 냉각방식 설계사례

박배균 한일엠이씨 본부장은 ‘고밀도 서버랙 냉각방식 설계사례’ 발표에서 “그동안은 단순 클라우드 저장공간을 통한 이용과 Share 개념의 데이터센터가 많이 요구되었다면, 현재는 단순한 정보의 저장공간이 아닌 딥러닝, 머신러닝, 인공지능으로 발전하고 블록체인 해석 등에 사용하면서 고밀도의 집적 서버가 요구되고 있다.”고 말했다.

일반적으로 고밀도 RACK이라고 불리는 부분은 10~12kW 이하로 가장 많은 설계에 적용 중인 Room Cooling 방식으로 설계를 진행하고 있다. 12kW를 넘을 경우 Cold Aisle과 Hot Containment의 요구 면적이 높아지므로, 건축비 상승(CAPEX)에 영향을 미친다.

박배균 본부장은 “이런 이유로 종래의 Room Cooling 방식의 한계점이 점점 가까워지고 있다.”라며 고밀도 데이터센터 설계를 위한 Cooling System으로 검토한 △Room Cooling 방식 △In Row Cooling 방식 △Rack Cooling 방식 △D2C(Direct to Chip) Cooling 방식 △Immersion Cooling 방식의 장단점을 설명했다.

이어 고밀도 데이터센터 설계를 위한 Cooling System으로 서버를 전기가 통하지 않는 액체에 담그는(Immersion) 방식으로 초고밀도(up to 100kW/rack 이상) 부하 대응 가능한 Immersion Cooling 방식의 적용사례를 소개했다.

박배균 본부장은 “최신 냉각기술인 Immersion Cooling 시스템은 100% liquid 냉각방식으로 고밀도 서버를 냉각시키기 위해 가장 적은 에너지를 사용하며 같은 수전용량에서 더 많은 IT LOAD 공급이 가능해 다양한 업체를 유치할 수 있다,”라며 “실제 적용을 위해서는 다양한 서버업체에서 Immersion Cooling이 가능한 부품을 제공해야 하고 높아진 TDP를 해결할 수 있는 서버 발열체(CPU, GPU 등) 부품의 HEAT SINK를 여러 가지 형상으로 제작해 발열을 빠르게 해소해야 한다.”고 밝혔다.

배창완 3M 책임

데이터센터를 위한 3M Fluids를 사용한 액침 냉각

3M 배창완 책임은 ‘데이터센터를 위한 3M Fluids를 사용한 액침 냉각’ 발표에서 △3M 유체를 사용한 액침 냉각의 60년 기록 △데이터센터 액침 냉각의 장점 △액침 냉각의 데이터센터 적용 사례 등에 대해 소개했다.

3M은 1950년대 상용 변압기의 액침 냉각에 사용되는 3M 유체를 개발해 시장에 공급한 이후 △Cray 슈퍼컴퓨터(2010년) △ASIC 비트코인 ​​채굴 시스템(500kW, 2013년)△ △SGI 및 Intel(2014년) △40MW Bitfury 데이터 센터(3M™ Novec™ 7100 Fluid, 2015년) 등에 적용, 안정적으로 운영 중이다. 또 2016년에는 Alibaba 프로젝트에 세계 최초로 하이퍼스케일 x86 배포 기반을 마련했다.

이어 2017년 3M 유체를 사용한 후지쯔 액침 냉각 시스템이 상용화됐으며 그해 JAMSTEC에서 Pezy사의 페타플롭 액침 냉각기 공급, 3kW 1U GPU 서버 기반 30MW 하이퍼스케일 데이터센터 설계 발표가 이어졌다. 2019년에는 항저우 런허 알리바바 DC 캠퍼스에 탱크 600개 규모의 액침 냉각기가 도입됐고 2021년 Microsoft의 프로덕션 데이터 센터에 2PIC(two-phase immersion cooling) 액침냉각 시스템이 적용돼 테스트에 들어갔다.

배창완 책임은 “3M의 데이터센터 액침 냉각은 성능 향상, 에너지절감, 비용 절감, 지속 가능성 증가, 공간 절감 등 많은 이점은 물론 Bitfury 및 Alibaba 데이터센터 등 대규모 적용 경험을 갖고 있다.”라며 “지속적인 혁신을 통해 단상, 2상 및 칩 직접 연결 솔루션을 사용하는 탱크, 서버 및 올인원 솔루션 제공업체의 풍부한 에코시스템 개발을 주도하고 있다.”고 말했다.

고민건 삼화에이스 박사

국내 Immersion Cooling tank 솔루션

고민건 삼화에이스 박사는 ‘국내 Immersion Cooling tank 솔루션’ 주제발표에서 “데이터센터 냉각은 직팽식 냉동시스템부터 고효율, 고집적 부하를 처리 가능한 시스템으로 개발되고 있는 추세로 삼화에이스는 데이터센터 냉각 트렌드에 대한 다양한 솔루션을 보유하고 있다.”라며 1-Phase Immersion Cooling system과 2-Phase Immersion Cooling system 그리고 ASHRAE의 liquid cooling에 대한 운전온도 및 설비에 대한 guide line을 소개했다.

1-Phase Immersion cooling system은 유전체 용액을 서버에 순환시켜 냉각하는 방식으로 서버 내 냉각방식은 대류 열전달 방식이며, Tank 내부의 순환이 원활하므로 유로가 중요한 요소 CDU가 부가적으로 필요하며 1대 다수의 연결이 가능하다.

1-Phase Immersion cooling system의 경우, CDU-Immersion Tank 내부에 IT장비가 설치되며 내부 유전체 용액에 의해 냉각된다. CDU는 tank에서 가열된 냉매를 냉각해 재순환시켜 시스템을 유지한다.

2-Phase Immersion cooling system은 유전체 용액이 서버열에 기화되고 기화된 용액을 응축, 순환시켜 냉각하는 방식이다. IT장비에서의 냉각 메커니즘은 Boiling이며, 기화된 용액을 응축시키는 메커니즘은 Condensation이다.

고민건 박사는 “2-Phase Immersion cooling system은 Tank 내부에 설치된 응축부에 냉수를 공급하는 방식으로 부가시설이 필요 없지만 Tank 내부에서 기화-응축과정이 일어나기 때문에 기밀 관리가 중요하고 또 Tank 내부에 냉매 외 공기가 유입될 경우, 냉각 성능이 감소할 수 있어 벨로우즈 설계에 유의해야 한다.”고 말했다.

최병남 삼화에이스 이사

데이터센터 쿨링을 위한 신기술 냉각 솔루션

최병남 삼화에이스 이사는 ‘데이터센터 쿨링을 위한 신기술 냉각 솔루션’ 주제 발표에서 “에너지 소모가 큰 데이터센터의 전체 에너지사용량 중 HVAC 시스템이 31% 차지한다.”라며 정부의 배출가스 규제를 따르기 위해서는 전기사용량을 줄여야 하는 것이 필수로 데이터센터의 국부냉방 방식인 In-row cooling system에 대해 소개했다.

In-row cooling 시스템은 데이터센터 전산실을 냉방하는 국부냉방 방식의 하나로 냉매의 증발잠열을 사용해 서버에서 배출되는 고온의 공기를 냉각하는 시스템으로 In-row 유닛과 냉매분배기로 구성된다.

최병남 이사는 “In-row cooling system은 설치 위치에 따라 Stand Type과 Overhead Type으로 구분된다.”라며 “Stand type의 경우, Server Rack 사이에 In-row unit이 설치돼 층고가 낮은 경우에도 사용 가능한 장점이 있는 반면 Overhead Type은 Server row 사이 상단에 설치돼 동일 공간에 더 많은 서버를 설치할 수 있지만 일정 높이의 층고가 필요하다.”고 말했다.

더 자세한 기사는 12월호 참조