IT 전력밀도 고려해 공기분배·냉각방식 적용 필요

조진균 부교수한밭대학교 설비공학과
조진균 부교수한밭대학교 설비공학과

◇ IT장비 냉각과 공기분배
데이터센터 냉각의 기본원칙과 기능은 공조공기를 각 IT장비에 공급 및 분배하여 장비발열을 효과적으로 제거하는 것이다.

데이터센터 냉각을 위한 공기분배방식의 기본 구성 및 일반적인 개념은 냉각을 효율적으로 수행하기 위해 구성된 랙 밀도에 따라서 공간단위(room-based), 열-기반(row-based) 및 랙-기반(rack-based) 냉각으로 설계접근 방법이 구분된다. 

또한 CRAC/H (computer room air conditioning/handling) 유닛과 랙-서버에 장착된 IT장비와의 연계를 보여준다.

데이터센터의 집적도를 IT전력밀도를 기준으로 4개의 단계로 정의하였다. 또한 전력밀도 수준에 따라서 보편적인 공기분배방식이 구분된다. 데이터센터 냉각시스템 계획과 설계에 있어서, 보다 높은 IT전력밀도에 대응하기 위한 냉각용량 프로비저닝은 기존에 운용 중인 냉각방식이 담당하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 

 ◇ 공간단위(room-based) 공기분배/냉각
공간단위 냉각은 CRAC/H 유닛이 IT룸 전체를 담당하고 장비발열을 제거하기 위해 여러 개의 유닛이 동시 운전된다. 

공간단위 공기분배는 덕트, 댐퍼, 환기구 등에 의한 제어를 하지 않고 실내에 설치된 하나 이상의 CRAC/H 유닛에서 공조된 공기를 실내로 직접 공급하는 경우도 있고, 이중마루(raised floor) 하부공간과 천장 내부공간을 사용하여 급기 및 환기를 부분적으로 제어 할 수 있다. 

설계 시 공기분배에 대한 고려가 IT룸 형태에 따라 변형되는 것이 일반적이다. 
IT룸의 효율적인 공기흐름을 형성하기 위해 열복도(hot aisle)와 냉복도(cold aisle)를 구분하고 일반적으로 이중마루가 설치된다. 

공간단위의 냉각은 건축적 사항(상면면적, 천장높이, 공간형태), 이중마루 하부 장애물, 랙-서버 배치, CRAC/H 유닛 위치 및 각 IT장비의 배전 등에 큰 영향을 받는다. 
일정 수준 이상의 IT전력밀도에서 열복도/냉복도 차폐(containment)가 적용되지 않을 경우, IT룸 전체의 냉방에 대한 균일한 성능은 기대하기 어렵다. 

이 경우, 국부온도상승(hot spot)을 처리하기 위해 낮은 온도로 급기하여 정격 냉각용량이 증가하는 등 전반적인 냉각효율 저하의 문제가 발생할 수 있다.

데이터센터.
데이터센터.

공간단위·열기반·랙 기반 등 냉각기술 다양
고밀도 IT부하대응에는 ‘수냉식’도 고려해야

◇ 열-기반(row-based) 공기분배/냉각
열-기반 냉각의 경우, 다수의 in-row CRAC/H 유닛을 특정 열에 배치된 랙-서버 사이에 설치한다. 공간단위 냉각보다 공기분배 경로가 짧다는 장점이 있다. 

또한 공기분배 흐름을 예측하기 용이하여 in-row CRAC/H 유닛의 정격 용량을 이하로 운전할 수 있어 더 높은 IT전력밀도에 대응 가능하다. 열-기반 냉각은 냉각성능 외에도 여러 가지 장점이 있다. 

공기분배 경로를 단축시킬 수 있기 때문에 in-row CRAC/H 유닛의 송풍 팬 동력이 줄고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다. 

데이터센터는 공기분배를 위한 팬 동력이 차지하는 비율이 높고 향후 확장성을 고려하여 아직 설치되지 않은 IT장비까지 고려하여 큰 용량의 CRAC/H 유닛이 운전되기 때문에 공간단위 냉각은 비효율성이 커진다. 

◇ 랙-기반(rack-based) 공기분배/냉각
랙-기반 냉각의 in-rack CRAC/H 유닛은 IT장비와 일체화되며 랙에 바로 설치된다. 

공기분배 경로는 공간단위 또는 열-기반 냉각과 비교하여 더 짧고 정확하게 정의되므로 기류순환은 랙-서버 설치, 변경 또는 배치의 제약조건에 완전히 영향을 받지 않는 장점이 있다. 

In-rack CRAC/H 유닛은 정격용량을 기준으로 운전할 수 있고, 초고도밀 랙-서버(최대 50 kW/rack)까지 대응 가능하고 실제 필요 냉각용량에 예비용량을 합하여 반영할 수 있다. 

N+1 또는 2N 이중화는 특정 랙-서버를 대상으로 할 수 있기 때문에 효율적이고 독립적인 운영이 가능하다. 열-기반 또는 공간단위에서 지정할 수 있는 예비용량보다 효율적이지만 냉각장비의 수량증가에 따른 비용증가가 가장 큰 단점이다. 

◇ 소결
계속 증가하는 고밀도 IT부하에 대응 가능한 냉각은 공랭식(air-cooled)으로는 한계에 도달했으며 수냉식(liquid cooling)을 고려해야 한다. 

수냉식 냉각은 IT장비의 칩셋에 냉매를 공급하여 냉각을 하거나 IT장비 자체를 냉매에 넣어서 냉각하는 액침냉각(immersion cooling)을 검토해야 한다. 이러한 기술들은 IT장비 제조사와 협의가 필요하고 데이터센터 내부에 수냉식 냉각 인프라를 구축해야하기 때문에 적용이 어렵다. 

아직까지는 랙-기반 냉각이 적용된 사례가 많지 않다. 이것은 공간단위 또는 열-기반 냉각으로 가능한 IT전력밀도로 데이터센터가 구축되었기 때문이다. 그러나 15.0 kW/rack 이상의 전력밀도를 적용해야 할 경우는 랙-기반 공랭식 냉각을 고려해야한다.

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