미래 냉각기술, 데이터센터 운영 성패 좌우 ‘Key’로 작용할 것

냉각기술, IT장비 발열 따른 과부하 방지 필요
수냉식 등 새로운 시도로 냉각기술 혁신 도전

조진균 부교수한밭대학교 설비공학과
조진균 부교수한밭대학교 설비공학과

데이터센터를 구성하는 설비는 크게 IT부문과 non-IT부문으로 구분된다. IT부문은 데이터센터의 종류에 따라서 구성장비에 차이는 있다.

그러나 기본적으로 서버와 네트워크 장비 및 말단 전력분배기로 구성된다. Non-IT부문은 IT장비의 운영환경을 유지하는 목적으로 구성된다. 대표적으로 냉각시스템과 전력분배 시스템이 핵심 설비이고, 안전성 유지를 위한 보안 및 소방설비가 부가적으로 구성된다. 에너지사용량은 IT부하 용량에 절대적으로 비례하지만 냉각설비는 시스템의 종류와 구성에 따라서 다른 양상을 보이고 있다. 데이터센터는 연중무휴 24시간 가동하고 항상 고장의 위험을 안고 있어 실내 환경조건을 엄격하게 유지한다.

그 중에서도 IT장비의 발열에 의한 과부하 방지를 위한 냉각은 가장 중요한 기술이다. 쉴 새 없이 작동되는 서버의 열을 식히는 데 사용하는 전력은 데이터센터 에너지사용량의 3분의 1에 달하며 운영원가 및 에너지요금과도 직결된다.

데이터센터의 구성장비 및 에너지소비구조.
데이터센터의 구성장비 및 에너지소비구조.

◇ 데이터센터 냉각방법

발열제거와 IT장비 냉각방법은 냉동사이클의 구성요소를 IT환경에서 이격하여 설치하고 물과 기타 열매체의 순환(자체 배관 포함)을 구성하여 프로세스를 수행한다.

발열제거는 IT공간에서 실외로 열에너지를 배출하는 프로세스라고 생각할 수 있다. 열에너지를 실외로 버리는 수단으로 IT룸의 가열된 공기를 덕트를 통하여 직접 배출하는 것이 가장 간단하지만 배출된 공기만큼 다시 데이터센터 내부로 공급하는 방법이 간단하지 않다.

이러한 열에너지를 제거는 일반적으로 열교환기를 사용하여 하나의 유체에서 다른 유체로 열에너지를 전달함으로써 달성된다. 데이터센터 내부와 외부 (경계)전환지점 사이의 열매체는 두 지점 사이의 열에너지를 운반하는 역할을 하며, 크게 물, 공기, 부동액(글리콜) 및 냉매로 구분된다. 그리고 최종적으로 항온항습기(CRAC/H 유닛)의 공기 열매체를 통하여 IT장비를 냉각한다. 중앙의 냉열원 장비(냉동기 및 히트펌프)를 사용하여 생산된 냉수를 이용하는 중앙 냉수식(central chilled water) 냉각시스템은 CRAH(computer room air handling) 유닛을 사용하고, 다시 열원에서 냉수를 만드는 방식에 따라서 다시 공랭식(air-cooled), 수냉식(water-cooled) 또는 글리콜식(glycol-cooled)의 6가지 방식으로 세분화된다.

CRAC(computer room air conditioning) 유닛은 내부의 냉각 사이클을 수행하여 직접 IT룸의 발열을 제거하는 방식으로 실내유닛와 실외유닛으로 구분된다.

냉매를 사용하여 압축기와 증발기가 설치된 실외유닛을 동작하는 공랭식(air-cooled)방식, 압축기는 CRAC 유닛에 있고 냉각수 순환으로 냉각탑을 사용하는 수냉식(water-cooled)방식, 그리고 열매를 물이 아닌 부동액을 사용하고 냉각수 순환으로 드라이쿨러(dry-cooler)를 사용하는 글리콜식(glycol-cooled)의 3가지 방식으로 구분된다.

마지막으로 CRAC/H 유닛을 사용하는 방식 외에 소규모 전산센터에 적용 가능한 방식으로 외기를 처리하여 직접 공급하고 배출하는 직접/간접 증발냉각방식과 소형 냉각기를 덕트내 또는 건물옥탑에 설치하는 방식 등 4가지 방식을 포함하여 총 13개의 냉각방식이 데이터센터 냉각방식으로 사용가능하다.

13가지 기본적인 데이터센터 냉각 및 IT발열 제거 방식.

◇ 데이터센터 냉각시스템 구성

현재의 IT장비는 발열을 공기를 통하여 냉각하는 구조이기 때문에 항온항습기(CRAC/H 유닛)를 통한 냉각시스템이 구성되어야 한다. 현재의 데이터센터에 적용되는 보편적인 냉각시스템 구성은 다음의 4가지로 보편성을 가질 수 있다.

일체형 공랭식 시스템은 냉각 사이클에 필요한 모든 요소들이 실내유닛에 구성된다. 실내의 발열은 응축코일을 통과한 공기의 배출로 제거되며 응축을 위한 공기의 유입과 배출은 덕트를 통하여 이루어진다. 응축을 위한 공기유입 덕트의 면적 및 길이 증가에 한계가 있어 최대 냉각용량은 15kW 미만으로 소규모 전산실에 주로 사용된다. 국내에서는 거의 적용되지 않는 시스템이다.

공랭식(직팽식) 시스템은 중·소규모 데이터센터에 가장 많이 사용된다. 냉동사이클은 CRAC 유닛과 실외기에서 이루어진다. 실내기와 실외기 사이의 냉매순환은 배관을 통해 구성되며 열펌프 원리에 의해 실외로 열을 방출한다.

응축코일이 열교환기로 대체되는 것을 제외하고는 공랭식 시스템과 유사하며 냉동사이클 부속장치가 CRAC 유닛에 모두 구성된다. IT장비 발열은 수냉식 응축기에 전달되고 글리콜 용액은 응축기를 통해 순환되며 드라이 쿨러를 통해 열을 제거한다. 글리콜 용액은 공기에 비해 열전달 능력이 우수하기 때문에 열교환기 및 글리콜배관은 공랭식 시스템의 응축코일 보다 작다.

글리콜냉각 시스템과 동일하게 모든 냉동사이클 요소가 실내의 CRAC 유닛에 구성된다. 단, 글리콜 용액 대신 냉각수 순환에 의해 IT환경 내 발열제거하는 것과 드라이 쿨러 대신 냉각탑을 사용하는 두 가지의 차이점을 보인다. 수냉식 시스템은 IT환경의 냉각을 위한 전용시스템으로 일반적으로 적용되지 않으며 재실을 위한 공조시스템과 연계하여 사용된다.

중앙 냉수식 시스템의 냉동사이클은 IT환경 내의 CRAH 유닛과 냉동기를 통해 순환된다. 냉동기는 냉수(7℃이하)를 생산하여 CRAH 유닛에 공급한다.

실내에 설치되는 CRAH 유닛은 CRAC 유닛과 외관상으로 유사하나 기능에서 차이가 있다. 이는 냉동기에서 공급된 냉수가 순환하는 냉수코일을 통해 IT환경의 상승된 공기를 냉각시키는 개념으로 CRAC 유닛처럼 열교환기나 압축기를 포함하지 않는다. 중앙 냉수식 시스템 또한 재실을 위한 공조시스템과 연계하여 많이 사용된다.

◇ 소결

공기를 열매체로 하는 냉각기술은 수년에 걸쳐 크게 향상되었지만 여전히 근본적인 문제에 의해 한계가 있다.

상당한 에너지소비 및 비용적 측면 외에도 냉각시스템은 데이터센터의 상당한 공간을 점유한다. 최근까지 데이터센터는 냉각요구사항을 충족하기 위해 다른 선택권이 없었다. 새로운 수냉식 냉각기술과 방법을 사용할 수 있게 되면서 데이터센터는 냉각 문제를 해결하기 위한 새로운 방법들을 시도하기 시작하였다.

전력 및 냉각 효율성은 앞으로도 데이터센터의 최우선 관심사가 될 것이다. 머신러닝 인공지능 및 분석 프로그램을 위한 차세대 프로세서는 막대한 에너지 요구량을 필요로 하고, 비례하여 막대한 양의 발열을 생성한 것이다.

데이터센터 사업자와 운영자는 이러한 상황을 어떻게 대응할 것인가가 생존과 직결된다.

이것은 미래 냉각기술이 미래의 데이터센터에서 가장 중요한 역할을 할 것이라고 확신한다.

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