퐁당퐁당 서버 담근다··· ‘액침 냉각’ 주류화에 쏠리는 관심

수랭(액체 냉각 ;  Liquid cooling) 방식이 점점 더 흔해지고 있다. 일부 전문가와 관련 벤더는 액침 냉각(immersion cooling )도 그렇게 되기를 희망한다. 
 

인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅(HPC)으로 인해 전통적인 공냉 방식을 한계가 드러나고 있다. 과거에는 방열판과 팬으로 간단히 서버 CPU를 냉각할 수 있었지만 CPU 소비 전력 400와트, GPU 소비 전력 700와트에 달하는 현재의 상황을 감당하기에는 이제 부족하다. 

수랭 방식이 실행 가능한 대안이다. 액체는 공기보다 열흡수율이 높기에 더 높은 온도의 부하를 처리할 수 있다. 액체 냉각은 2가지로 크게 나뉜다. 직접 칩 냉각 방식과 뒷문 열 교환 방식(RDHx)이다. 두 방식 다 액체를 사용하여 온도를 낮추지만 장비가 실제로 젖는 일은 없다. 반면 액침 냉각 방식은 하드웨어를 마치 설거지할 접시처럼 흠뻑 적신다.
 
액침 냉각이란?
즉 액침 방식은 대단히 비싼 전자 장비를 실제로 액체 수조에 푹 담근다. 비전도성 액체이므로 장비가 안전하다.  액침 방식에 사용되는 유전체 액체는 비전도성이기 때문이다. 대개 기름 종류가 사용된다. 

액침 방식은 전통적인 방식에 비해 장점이 많다. 첫째, 펌프가 필요 없다. 하드웨어가 튜브를 통해 펌프질 되는 대신에 액체에 잠겨 있다. 전기 요금이 적게 나온다. 둘째, 액체가 전자 장비에 직접 닿으므로 냉각 효율과 효과가 더 높다.

실제로 액침 방식은 놀라운 수준의 전력사용효율(PUE) 등급을 자랑한다. PUE는 IT 장비 냉각에 필요한 전력량을 측정하는 지표다. 가령 PUE가 2.0이면 서버 가동 비용 1달러 당 추가 냉각 비용 1달러, PUE가 1.5면 서버 가동 비용 1달러 당 추가 냉각 비용 50센트가 든다는 이야기다.

궁극적인 목표는 가능한 한 1.0에 가까워지는 것이다. 업타임 인스티튜트(Uptime Institute)에 따르면, 보통의 데이터 센터 PUE는 1.5다. 액냉 방식을 적용하면 1.1까지 낮출 수 있다. 놀랍게도 한 홍콩 데이터센터에서는 PUE를 1.01까지 낮춘 사례가 있다. 즉, 냉각 비용이 거의 들지 않는다는 의미다.

액침 냉각의 유형
액침 냉각에는 크게 단상 유형과 이중상 유형이 있다. 단상 액침 냉각이 가장 단순한 유형으로 전자 부품을 유전체 액체 속에 잠그는 방식이다. 전자 부품에서 발생한 열이 액체로 직접 이동된 후 액체는 열 교환기에 의해 냉각된다. 단상 환경에서는 탱크가 열려 있어 하드웨어에 쉽게 접근할 수 있다.

이중상 액침 냉각은 더 복잡하다. 단상 냉각에 사용되는 액체보다 끓는점이 낮은 유전체 액체 속에 전자 부품을 잠그는 방식이다. 액체가 끓으면 증기로 변해 상승하여 탱크 안으로 들어간다. 이중상 냉각 방식에서는 탱크가 닫히고 그 다음에 증기가 냉각과 응결을 거쳐 다시 액체가 된다.

액침 냉각 활용 시나리오
IT 부서는 이제 공냉, 수랭, 액침 등 데이터센터 장비에 사용할 냉각 선택지가 여럿 있다.  그렇다면 어떤 것을 사용할지 어떻게 구별해서 결정할까? 셈법은 복잡하다. 

공냉의 경우에는 랙 밀도로 결정된다. 전통적인 방열판과 팬 방식이 통하는 랙 밀도는 랙 당 약 20kW이다. 이는 대다수의 워크로드에 적합하다. 데이터베이스 서버나 파일 서버는 특별히 뜨거워지지 않는다. 

30kW가 넘어가면 공냉으로는 대응하기 어렵다. HPC와 AI처럼 프로세스를 지속적으로 최대 상태로 가동하는 컴퓨트 집약적인 부하의 영역으로 진입한다.

액침 냉각 업체 리퀴드스택(LiquidStack) CEO 조 케이프스는 “그것이 아마도 액체 냉각에 대한 관심이 커진 이유다. 이러한 상황은 확실히 이제 AI가 주도하고 있다. 내 생각에 그것의 다른 측면은 ESG 및 지속 가능성과 관련이 있다. 지구의 자원은 한정되어 있기 때문이다”라고 말했다.

공랭 방식은 공조에 엄청난 양의 물을 사용한다. 케이프스는 데이터센터가 물 소비의 주범으로 꼽힌다며, 미국의 경우 데이터센터 냉각에 연간 6,600억 리터의 물이 소비된다고 전했다. “챗GPT 요청을 한 건 처리할 때마다 물 한 병이 사용된다고 들었다”라고 그는 말했다.

케이프스는 직접 칩 냉각 방식의 약점 중 하나는 공랭이 필요하다는 점이라고 지적했다. 또한, 하드웨어를 업그레이드할 할 때마다 직접 칩 시스템을 보드 수준에서 개조하고 재설계해야 한다는 설명이다. 이는 기존 설비 중 약 절반을 교체해야 한다는 의미다.

케이프스는 “액침 방식은 확실히 새로운 빌드에 더욱 적합하다. 액침 방식만 새로운 빌드가 가능하다는 말은 아니지만 확실히 새로운 빌드와 모듈에 적합하다. 그 이유는 주변 인프라 전체에 대한 공냉을 사실상 없앨 수 있기 때문이며 이는 경제적으로 꽤 많이 유리하다”라고 설명했다.

액침 방식의 단점
반면 단점도 있다. 특히 데이터센터에 액체 탱크를 적요앻야 한다는 점이 있다. 포레스터 리서치 소속 선임 애널리스트 압히지트 수닐은 “데이터센터에 탱크를 준비시키는 일은 엄청난 작업이다”라며, 액침 냉각이 기존 데이터센터 인프라에 간단히 추가할 수 있는 것이 아니라고 덧붙였다. “액침 냉각은 순수하게 새로운 빌드나 개보수 시에 고려하는 것이 더 낫다고 본다”라고 그는 설명했다.

IDC 소속 선임 애널리스트 션 그래함은 또 모든 종류의 액체 냉각에 개보수 작업이 요구된다고 지적했다. “그래서  뒷문 열 교환기 방식이 단기적인 인기를 누리고 있다.  데이터센터 전체를 갈아 엎지 않고도 고밀도 부분을 일부 냉각할 수 있기 때문이다.  뒷문 냉각은 기존 랙의 후면에 직접 연결하는 방식이므로 재설계가 필요 없고 냉각제에 연결할 수 있으면 된다”라고 그는 말했다.

수닐은 공간을 잡아먹는 것도 문제라고 지적했다. 탱크를 표준 규격의 데이터센터 랙 높이만큼 쌓을 수 있는데 탱크의 크기가 업체마다 다르므로 바닥 면적만 뺏기고 용량은 기대보다 낮은 상황에 처할 수도 있다.

그래함도 동의하며 “액침 냉각 방식의 데이터센터에서 바닥 면적 중 약 50%를 냉각 탱크에 할애해야 했던 경험이 있다”라고 말했다.

그런 이유로 두 사람 모두 액침 냉각 방식은 고열밀도라는 극한의 조건에 한해 신중히 사용할 것을 권고한다. 고열밀도 조건은 데이터센터 전체가 아닌 일부에만 해당할 것이다.

액체에 담그도록 설계되지 않은 하드웨어를 액체에 담근다는 점도 문제다. 케이프스는 “내 생각에 가장 큰 문제는 액침에 최적화되고 품질이 보증된 하드웨어를 구하는 일이었을 것이다”라고 말했다.

액침 냉각은 대개 전체 섀시가 아닌 마더보드를 액체 탱크에 담그는 방식이다. HPE, 델 테크놀로지, 레노버는 마더보드를 판매하지 않고 랙 케이스를 판매한다. 델 VP 겸 펠로우 타이 슈미트에 따르면, 델는 기존 델서버의 하드웨어가 액침 시스템에서 작동하도록 필요한 작업을 수행하기 위해 액침 냉각 협력사와 직접 일하는 OEM 사업부가 있다.

그는 “인증 및 보증 관점에서, 시스템의 핵심 부분이 해당 액침 냉각 탱크에서 또는 해당 기술로 작동할 수 있게 된다. 따라서 우리는 협력사와 고객을 대신하여 그 작업을 책임지고 수행하는 전담 팀이 있다”라고 설명했다.

액침 냉각 방식의 성장 잠재력
액침 냉각 시장은 아직 초기 단계다. 그랜드 뷰 리서치(Grand View Research)는 전세계 액침 냉각 시장 규모를 2022년 1억9,700만 달러로 보고 2023년부터 2030년까지 연평균 성장률 22.6% 성장을 예상하고 있다.

슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric) 냉각 혁신 및 전략 책임자 마우리지오 프리지에로는 기술이 아닌 관념적인 측면이 현실적인 과제라고 강조했다. IT 관리자들이 마더보드를 고장 내기 위해서가 아니라 냉각하기 위해 액체에 담근다는 개념을 완전히 이해해야 한다는 이야기다.

그는 “액체 냉각이 매우 지속 가능한 방향으로 가기 위한 실행 가능성 높은 방식이라고 믿는다.  물론 모든 작업자가 새로운 기술이나 새로운 설계 지침에 대해 갖는 우려를 이겨 내야 한다”라고 말했다. 또한, 슈나이더 일렉트릭은 액침 냉각을 비롯한 전반적인 액체 냉각 방식이 향후 3년 내에 두 자리 수 연평균 성장률로 성장할 것으로 보고 있다고 덧붙였다.

슈미트는 액침 방식이 전력을 가장 적게 사용하므로 전력 문제 해결 측면에서 고객의 관심이 높아지는 모습이 두드러지고 있다고 전했다.

그는 “오늘날 고객의 전력 상황이 어떻고 미래에는 어떻게 될 것이며 고객들의 설비 제약조건이 무엇인지 잘 알고 있다. 액침 냉각 방식은 고객들에게 훌륭한 해결책이 될 수 있다. 따라서 우리는 특정 고객을 잘 안내하려면 업계의 현황은 물론 해당 고객의 제약 사항과 환경을 둘 다 이해해야 하며, 정답은 고객마다 다르다”라고 말했다.

케이프스는 에퀴닉스(Equinix)와 디지털 리얼리티 트러스트(Digital Reality Trust) 같은 거대 데이터센터 제공업체가 이제야 액침 방식에 적극적으로 나서고 있다고 말했다. “지난 6개월 전까지는 지원을 그다지 많이 받지 못했다. 이제 이 대형 업체들은 2년이라는 기간을 두고 액침 가능한 서버를 준비 중이라고 말할 수 있다. 따라서 앞으로 2년 내에 대형 업체가 공냉, 직접 칩 냉각 시스템, 액침을 모두 나란히 갖춘 모습이 나타나고 사용자는 원하는 것을 선택할 수 있게 될 것임을 충분히 예상할 수 있다”라고 말했다. ciokr@idg.co.kr