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데이터센터

8가지 획기적인 데이터센터 전력 비용 절감 방안

2011.04.07 Mel Beckman  |  InfoWorld

2000년대 초반에는, 그 시기에 나오던 서버들의 전원 공급 변환 효율이 75% 정도로 낮았기 때문에 직류가 인기가 많았다. 하지만 그 뒤로 전원 공급 효율이 개선되었고 데이터센터들 역시 훨씬 효율적인 208V AC로 옮겨갔다. 2007년에 이르러서는, 직류의 인기가 완전히 시들해졌다. 심지어 인포월드는 2008년에 “전력 소비 줄이기에 관한 10가지 잘못된 이야기”란 기사에서 그것이 근거 없는 이야기들 중 하나에 속한다고 밝혔다. 그러고 나서 2009년에 직류는 고전압 데이터센터 장비의 도입에 힘입어 다시 상승세를 타기 시작했다.

 

초기 데이터센터에서는, 발전소로부터 공급되는 16,000VAC(교류전압)의 유틸리티 전기가 먼저 건물 안에서 라우팅을 위해 440VAC로 변환되고, 그 다음에는 200VAC, 최종적으로는 110VAC로 변환되어 서버에 제공되었다. 각 변환마다 100%보다 낮은 효율로 인해 전력이 손실되었고, 손실된 전력은 열로 바뀌었다(이 열은 냉각 시스템을 통해 제거해야 하고 이는 더 많은 전력 비용을 초래한다). 208VAC로 바꾸게 되면서 변환 한 단계가 줄어들었고 서버 내부 전원 공급은 95%의 효율을 얻을 수 있었고 그 이상 더 얻을 것이 없었다.

 

하지만 2009년에 13,000VAC에서 곧바로 575VDC(직류전압)으로 변환되는 새로운 라인의 데이터센터 장비가 출시되었고 그 이후에 이것은 랙에 직접적으로 연결되어, 여기에서 나온 전기는 최종적으로 컨버터가 랙에 있는 서버들이 사용할 수 있도록 48VDC로 변환시켜 준다. 각 변환 단계는 지난 AC 변압기 기술보다 약 2배 정도 효율적이며 열도 훨씬 덜 방출한다. 제조업체들은 전기와 냉각 시스템의 감소로 인한 절약 비용을 합치면 50%에 달한다고 주장하지만, 대부분의 전문가들은 25%로 받아들여야 한다고 말한다.

 

이 획기적인 접근 방법은 새로운 기술에 어느 정도의 지출을 요구하긴 하지만 관련 기술들은 복잡하지도 않고 믿을만한 것으로 입증되었다. 한 가지 잠재적인 간접 비용은 48VDC를 분배하기 위해 필요한 구리 함유량이 높은 케이블에서 발생할 수 있다. 줄의 법칙(Joule’s Law)이 지적하듯, 전압이 낮아질수록 전류가 높아지기 때문에 고전압과 같은 파워를 전달하기 위해서는 더 강력한 전도체가 필요하다. 데이터센터에 필요한 또 다른 비용 요소는 AC에 비해 DC의 경우 거리에 따라 전압이 큰 폭으로 떨어진다는 점이다(100피트 당 약 20%). 바로 이 때문에 48VAC 변환이 유틸리티 파워가 들어올 때가 아닌 랙에서 이루어지는 것이다.

 

물론 직류로 변환하기 위해서는 서버가 48VDC의 전원 공급을 수용할 수 있어야 한다. 일부에게는 DC로 변환하는 일이 비교적 간단하다. 예를 들면 블레이드 서버와 같은 샤시 기반의 서버들은, 여러 서버들이 하나의 전원을 공유하기 때문에 변환 비용이 더 저렴할 것이다. 구글은 서버 전원 공급을 12V 배터리들로 바꾸는 저차원적 기술의 방법을 사용하여, 기존의 AC전원이 공급되던 UPS(무정전 전원 공급) 인프라 시설의 99%에 해당하는 효율을 얻었다고 주장한다.

 

만약 서버 업그레이드를 계획하고 있다면 최근에 제퍼디 쇼(Jeopardy Show)에서 왓슨(Watson) 등의 경쟁자를 물리친 IBM의 파워50와 같이, 575VDC에서 바로 전원을 공급받을 수 있는 더 큰 시스템을 고려하게 될지도 모른다. 시라쿠스 대학(Syracus University)이 작년에 데이터센터를 구축하면서 575VDC로 IBM Z와 파워 메인프레임들에 전원을 제공하듯, 새로운 구성은 아무 것도 없는 상태에서의 시작에 따른 이익들을 누릴 수 있을 것이다.

 

획기적인 에너지 절약 방안7: 열을 땅에 묻어버려라

따뜻한 지역에서는 외부-공기 냉각법을 연중 내내 이용할 수 없다. 예를 들면 아이오와주는 겨울이 비교적 따뜻하지만 여름은 매우 더워서 공기 온도가 화씨 90도에서 100도 사이에 달하며, 이는 공기를 이용한 절약에 적합하지 않다.

 

하지만 땅을 아래로 조금만 파보면, 땅의 온도가 보통 일정하고 비교적 낮다는 걸 알 수 있다. 지구 표면 아래는 비나 열과 같이 기존 장비에 많은 부담을 주던 바깥 날씨 조건에 별로 영향을 받지 않는다. 땅 아래로 파이프를 연결하면, 서버에서 발생한 열을 나르는 뜨거운 물이 땅 속 깊이 흘러내려가 주변 토양으로 열을 전도시킴으로써 열을 처리할 수 있다.

 

이것도 마찬가지로 기술이 로켓공학처럼 복잡하지 않다. 지열을 이용한 냉각을 위해 상당한 양의 파이프가 필요할 뿐이다. 성공적인 지열 기구 설치를 위해서는 세심한 사전 분석이 역시 필요하다. 데이터센터는 열을 지속적으로 발생시키기 때문에, 열을 한 공간으로만 흘려 보내는 것은 그 땅을 포화시키고 냉각 효과의 손실을 초래할 수 있다. 데이터센터 주변 토양의 용량에 대한 분석을 통해 주어진 지역이 얼마나 열을 흡수할 수 있으며 지하대수층에서 보조적인 열-전도가 열의 분산을 향상시킬 수 있을지, 그리고 만약 환경적인 영향이 발생할 수 있다면 그게 무엇인지 등을 결정하게 된다.

 

아이오와 주의 경우에는, 비영리 미국 대학 입학 학력고사 기관이 아이오와 시의 데이터센터들을 위한 토양의 히트싱크를 배치했다. 또다른 중서부에 위치한 기업인, 헤이스팅스(Hatings) 근처의 프레리 벙커스(Prairie Bunker) 사의 경우에는 몇 개의 5000 평방 피트 넓이의 군사 기지를 자급자족의 데이터센터로 전환 시켜서 데이터센트 파크(Data Center Park)를 만들기 위해 지열 냉각법을 추구하고 있다.

 

획기적인 에너지 절약 방안 8: 관을 통해 열을 바다로 옮겨라

토양의 히트싱크와는 달리, 바다는 사실상 데이터센터의 사용을 위한 무한한 히트 싱크가 되어줄 수 있다. 요령은 비슷하기는 하지만 일반적으로 생각하는 것보다는 훨씬 그럴 듯해 보인다. 미국과 캐나다 국경 사이에 있는 5대호(Great Lakes)와 같이 충분히 큰 수역이라면 얼마든지 냉각수 저수지로 기능할 수 있다.

 

궁극적으로 바다를 이용한 냉각 시나리오는 인근 지역의 바다를 이용할 수 있는 ‘데이터센터 아일랜드’를 건설하여 바다로부터 민물로 열 교환기를 사용하는 것이다. 개념 자체는 훌륭해서 구글은 지난 2007년에 그것의 특허권을 취득했다. 구글의 접근방법은 그것의 첫 단계로 섬을 취득하거나 건설해야 한다는 점에서 이 기사의 목적과 거리가 멀다.

 

그럼에도 만약 이미 데이터센터가 해안에 꽤 가까이 위치하고 있다면 개념 자체는 그다지 억지스럽지 않다. 원자력 발전소들은 몇 십 년째 바다와 호수의 물을 이용하여 냉각하고 있다. 지난 가을, 컴퓨터 스웨덴(Computer Sweden의 구글의 영어 번역 버전)에 보고되었듯 구글은 핀란드 하미나(Hammina, Finland)에 있는 개조된 종이 펄프 제조 공장에 이러한 접근방법을 적용하였다. 차가운 발틱해(Baltic Sea)의 바닷물을 새로운 메가 데이터센터를 냉각시키는 유용한 수단으로 사용할 뿐 아니라 긴급 화재 예방을 위해 바닷물을 제공하여 이러한 접근의 높은 신뢰도를 보여주고 있다. 펄프 공장은 발틱해로부터 2피트 반경의 파이프로 물을 제공받으며 이는 프로젝트의 구현 비용을 감소시켰다.

 

담수 호는 데이터센터를 냉각시키는데 성공적으로 사용되어 왔다. 뉴욕 주 이타카(Ithaca, N.Y.)에 위치한 코넬 대학의 캠퍼스는 카유가(Cayuga) 호수로부터 거의 2.5조 갤런에 해당하는 물을 공급받아 데이터센터를 냉각시킬 뿐 아니라 캠퍼스 전체를 시원하게 유지하고 있다. 이러한 냉각 시설 중 으뜸은 2000년에 건설된 레이크-소스-쿨링(Lake Source Cooling)이다. 시간당 35,000갤런(약 13만 리터)을 퍼 올려서 2.5마일 떨어진 곳에 위치한 학교 건물들에 화씨 39도(약 섭씨-17도)의 물을 공급하고 있다.

 

바닷물과 담수를 이용한 냉각시스템 모두 다소 비싼 구성요소를 하나 필요로 한다: 데이터센터를 식히기 위해 바로 사용되는 물로부터 천연 물을 분리해내는 열 교환기이다. 이러한 분리는 환경과 민감한 서버 장비 모두를 보호하는 데 필수적이며, 또한 냉각 시스템에서 물이 어디론가 빠져나가야 한다. 그러나 이 비싼 요소 하나만 제외하면 바닷물과 담수를 이용한 냉각시스템은 시중의 평범한 파이프 이상으로 복잡하지 않다.

 

얼마나 많은 돈을 절약할 수 있는가?

이러한 기술들의 가치는 이들 중 어떤 것도 상호 배타적이지 않다는 데에 있다: 이러한 비용 절약 방안들을 단기간의 예산과 장기의 목적에 맞도록 적절히 조합하여 사용할 수 있다. 데이터센터의 온도를 높이는 단순한 조치부터 시작해서 그 다음엔 첫 단계의 절약 효과에 비추어 다른 기술들의 유용성을 평가해보면 된다. ciokr@idg.co.kr

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