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디지털가속화, 데이터센터 고도화 견인

데이터센터산업 현재와 미래 전망

현대사회는 빠르게 변화하고 있다. 사회·경제·산업부문의 모든 활동이 데이터화되며 기록과 분석을 통해 편의성, 효율성 향상에 기여하고 있다.

특히 4차 산업혁명이 진행됨에 따라 AI, 자율주행, IoT 등 관련산업은 엄청난 데이터량을 쏟아내고 있으며 최근 코로나19로 인해 성장하고 있는 비대면산업 역시 디지털사회로의 변화를 가속화하고 있다.

모든 산업이 발전하기 위해서는 기반시설이 필요하다. 과거에는 논에 원활하게 물을 댈 수 있는 수로나 물류이동에 필요한 도로 등이 이에 해당됐다면 첨단산업이 발전하기 위해 필수 인프라가 데이터센터다.

이에 따라 칸kharn은 ‘포스트코로나 시대 기계설비산업이 나아갈 길’이라는 주제로 웹세미나를 개최해 가속화되고 있는 디지털산업 및 데이터센터산업의 현재와 미래를 전망해봤다.

데이터센터 세션에서는 △코로나19로 인한 디지털가속화와 데이터센터산업(송준화 한국데이터센터연합회 팀장) △데이터센터 프리쿨링 냉각 솔루션(이강현 존슨콘트롤즈 이사) △데이터센터 토탈커미셔닝(연창근 한일엠이씨 사장) △IT 서비스의 빠른 변화에 대응하는 컨테이너 데이터센터(문규영 리탈 이사) △지속가능한 데이터센터 운영에 도움을 주는 판형열교환기(윤영지 알파라발 프로) △글로벌 데이터센터 산업 및 기술동향(신일섭 버티브 상무) 등이 발표됐다.

데이터센터 부가가치 창출, 산업경쟁력
송준화 한국데이터센터연합회 팀장은 ‘코로나19로 인한 디지털가속화와 데이터센터산업’ 발표를 통해 국내 데이터센터산업의 현황과 전망을 설명했다.



데이터센터는 정부가 추진하고 있는 4차 산업혁명, 디지털뉴딜을 위한 핵심 기반시설로 최근 다양한 매체를 통해 데이터센터의 역할과 중요성이 알려지고 있다. 

인터넷은 군사용으로 최초로 개발됐지만 빠른 인터넷 연결을 원하는 기업 및 사용자의 요구 증가로 1980년대에 전산실이 탄생했으며 국내에는 1990년 후반부터 현재와 같은 데이터센터가 설립되기 시작했다. 2000년대부터는 클라우드 서비스가 등장하며 아마존, MS, 구글 등 글로벌기업들이 자사의 클라우딩서비스를 효율적으로 운영하기 위해 데이터센터를 확대하고 있다.

앞으로는 현재보다 대규모인 하이퍼데이터센터, 자율주행 등을 위해 사용자와 빠른 대응을 할 수 있는 엣지데이터센터가 늘어갈 것으로 전망된다.

2000년 국내 데이터센터 수는 53개에서 2019년 기준 158개로 증가했다. 전체 데이터센터의 74.4%가 서울, 경기, 인천 등 수도권에 집중돼있으며 당분간 이러한 경향은 지속될 것으로보이지만 수도권 전력수급에도 한계가 있어 5년 후에는 지방으로의 분산이 예상된다.

전력수급문제는 데이터센터 입지에 큰 영향을 미친다. 국내 상업용 데이터센터 시장이 활성화되던 2006년에는 IT전력 공급량(Critical IT Load)이 24MW증가했지만 지난 2015년 122MW 증가, 2020년 150MW가 증가했다. 현재 진행중인 데이터센터 건설이 완료될 시점인 2024년 IT전력 공급량은 400MW 이상 증가될 전망이다. 2019년 기준 전국의 데이터센터 전력공급 용량은 총 346MW를 기록했으며 2024년에는 800MW를 넘어설 전망이다.

송준화 팀장은 “데이터이용량은 코로나19 발발 이전부터 급증추세를 보여왔다”라며 “최근 화상회의, 게임 등 데이터이용량이 늘고 있으며 향후 자율주행차 등 미래산업 현실화가 다가올수록 데이터센터 수요는 더욱 증가할 것”이라고 설명했다. 이어 “이러한 시장에서는 상호연결, 자동화, 가상화 등 데이터센터가 제공하는 고부가가치 서비스가 핵심경쟁력으로 작용할 것”이라고 강조했다.

프리쿨링 냉각솔루션 설계
이강현 존슨콘트롤즈 이사는 ‘데이터센터 프리쿨링 냉각솔루션’ 발표를 통해 데이터센터의 설계조건과 수냉식·공랭식 프리쿨링 냉각솔루션을 설명했다.



데이터센터의 에너지이용효율을 나타내는 척도로 가장 보편적으로 사용하는 것이 PUE(Power Usage Effectiveness)다. 서버 등 데이터센터의 본질에 해당되는 장비가 사용하는 전력 외 설비의 에너지를 최소화할수록 PUE는 1에 가까워지는데 냉각설비가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이에 따라 기계식 냉각이 아닌 차가운 공기나 물을 이용한 프리쿨링을 한다면 PUE를 낮출 수 있다.

데이터센터의 서버실은 차가운 공기를 서버에 공급하는 냉복도와 서버의 뜨거운 공기를 배출하는 열복도로 나뉘어 구획된다. 이전에는 서버수명을 연장하기 위해 온도를 낮게 유지했으나 최근에는 서버를 3~4년이면 새로운 모델로 교체를 하기 때문에 냉복도의 온도를 25℃ 이상으로 높게 유지해 냉각시스템 효율을 극대화하는 추세다. 

존슨콘트롤즈의 수냉식 프리쿨링 냉각솔루션은 냉동기와 이코노마이저가 배치돼 외기온도가 낮을 경우 냉동기를 정지하고 이코노마이저로 냉수와 열교환해 오직 냉각수 펌프에너지만으로로 냉각, 에너지절감이 가능하다. 인버티드 운전 즉 냉각수가 냉수보다 낮은 조건에서는 이코노마이저가 없이 외기온도가 낮은 겨울철에도 최저 4.5℃의 냉각수 온도에서 높은 효율로 운전해 프리쿨링 효과를 얻을 수 있다. 

프리쿨링이 가능한 공랭식 냉동기를 적용할 경우 아주 단순하게 시스템을 구성할 수 있다. 다만 공랭식 냉동기는 500톤이 최대 용량으로 옥외에 냉동기 설치가 가능한 중형 규모의 데이터센터에 적합한 시스템이다.  

겨울철에는 일체형으로 설치된 프리쿨링 코일을 이용해 압축기를 정지하고 외기와 열교환해 냉수를 냉각한다. 봄·가을에는 프리쿨링 코일에서 일부 냉각이 이뤄지고 부족한 부분은 압축기를 운전해 냉방부하를 감당한다. 외기온도가 높아 프리쿨링이 불가능한 여름철에는 100% 압축기를 냉방운전하는데 이때 모드변경은 외기온도에 따라 냉동기가 자동으로 제어한다.

최근 데이터센터에서 검토가 이뤄지고 있는 공랭식 프리쿨링 냉동기에 적용 가능한 증발냉각의 일반적인 방식은 공랭식 응축기 코일에 폴리우레탄 재질의 패드를 설치해 여기에 물을 뿌리고 공기가 통과하면서 증발로 인해 온도가 낮아져 냉동기 효율을 향상시키는 방법이다. 

이강현 이사는 “증발냉각은 원리상 외기온도가 높고 습도가 낮을 경우 효과가 가장 좋지만 한국은 외기온도가 높은 여름에 습도가 높아 효과가 제한적”이라며 “외기온도 35℃, 상대습도 65%일 경우 공랭식 응축기로 들어가는 외기온도는 1℃ 감소하며 이를 통한 효율향상은 약 3% 예측된다”고 말했다. 이어 “외기온도가 30℃ 이하이고 상대습도가 높을 경우 효과는 미미하고 오히려 패드설치로 공기저항이 높아져 압축기 소비동력이 늘어나기 때문에 증발냉각 적용 시에는 데이터를 신중하게 검토해야 한다”고 설명했다.

데이터센터 신뢰·효율성 담보 ‘커미셔닝’
연창근 한일엠이씨 사장은 ‘데이터센터 토탈커미셔닝’ 주제발표를 통해 커미셔닝의 개요와 단계별 주요업무, 수행내용 등에 대해 설명했다.



커미셔닝은 검증대상 장비와 시스템에 대한 건축주 요구사항 및 설계의도를 파악해 건물성능을 검증하고 문서화하는 업무다. 특히 데이터센터 프로젝트에서는 상시 또는 비상시에도 전산설비가 문제없이 작동하고 운영될수 있음을 검증함으로써 신뢰성과 효율성을 확보하는 것이 매우 중요하다.

연창근 사장은 “데이터센터 커미셔닝은 최근 해외뿐만 아니라 국내에서도 필수적으로 적용하는 관리공정”이라며 “전력·공조·제어설비의 성능확인 및 검증뿐만 아니라 각 설비들의 시스템 연동운전을 통해 어떠한 상황에서도 전산설비가 건축주 요구조건 혹은 설계조건 의도에 따라 운영될 수 있도록 검증하는 필수 프로세스”라고 설명했다.

데이터센터 커미셔닝은 △시공전단계 △시공단계 △준공단계 △운영단계 등 크게 4단계로 나뒨다.

시공전단계에서는 설계도서에 대한 검토와 커미셔닝 계획을 수립하고 건축주가 염두하고 있는 핵심사항을 파악, 최종 설계도면과 시방서를 검토한다. 시공전단계 이후에 진행해야 할 커미셔닝 계획 및 일정을 수립한다.

시공단계에서는 대상설비에 대한 승인도서를 검토하고 공장검수 시험을 준비한다. 검수대상 장비사양과 검수절차, 방법 등을 검토하고 장비 공장테스트를 입회해 검수절차와 방법대로 테스트가 됐는지, 장비사양에 적합하게 제작됐는지, 장비나 시스템성능은 시방서나 설계도서에 부합한지를 검증한다.

설비가 현장에 입고되면 현장설치검증을 수행힌다. 공장에서 테스트 된 장비가 문제없이 현장에 입고됐는지 사양과 훼손여부를 확인한다. 현장설치가 되면 주기적으로 현장을 방문해 설계도서대로 혹은 시방서대로 설치가 이뤄졌는지를 확인한다.

이후 개별 기동시험을 수행하기 위한 계획을 수립한다. 커미셔닝 참여자들과 협의해 테스트 수행자, 입회자 등을 결정하고 공장검수 절차와 마찬가지로 테스트 절차나 방법 등을 논의해 시운전계획을 수립한다. 계획에 따라 각 장비나 설비의 개별 시운전을 수행하고 이 과정에서 발생한 문제점을 Punch List 형식으로 기록해 조치·관리한다.

기능 및 성능시험은 개별장비 단위의 테스트가 아닌 기계설비, 전기설비, 소방설비 등 각 설비 간의 연동시험이다. 예를 들어 기계설비계통에서 냉동기와 펌프간의 연동제어처럼 장비간 연동상태를 확인하고 검증하는 과정이다. 

통합 연동시험에서는 기계설비와 전기설비, 기계설비와 소방설비같이 설비간 연동시험을 수행하고 데이터센터의 정상·비상시 운전을 모사한 테스트를 진행한다. 대표적으로 열부하 테스트와 정전 및 복전 테스트가 있다.

인수인계 단계에서는 운영관리자에 의한 교육이 잘 이뤄졌는지 검증하고 시공 전 단계부터 수행했던 커미셔닝 활동을 집약해 보고서를 작성, 건축주의 승인을 받아 제출한다.

준공 이후 운영단계에서도 건축주 운영관리자가 인수인계 교육을 잘 받았는지 확인하고 운영의도와 운영상 특징을 원활히 이해할 수 있도록 교육을 지원하고 있다.

클라우드 데이터센터 구축 ‘6개월’
문규영 리탈 이사는 ‘IT서비스의 빠른 변화에 대응하는 컨테이너 데이터센터’ 발표를 통해 컨테이너형 모듈러 데이터센터 구성에 대해 설명했다.



데이터사용량이 기하급수적으로 늘어나고 있는 가운데 기존 데이터센터들은 물리적 통합과 함께 IT시스템의 가상화를 이루고 있다. 이 과정에서 클라우드서비스가 등장했으며 비용절감, 변화대응 등이 큰 화두를 자리잡고 있다.

또한 넷플릭스, 유튜브 등 동영상 서비스 등장에 따라 데이터를 얼마나 잘 쌓고 관리하는가가 중요한 요소이며 데이터가 쌓이는 속도를 데이터센터 구축이 못 따라가고 있는 상황이다. 데이터센터는 건축물이다 보니 설계에서 구축까지 빨라야 3년 걸린다. 

특히 IT서비스의 형태와 요구사항이 빠르게 변화하는 상황에서 데이터센터는 더 이상 부동산으로서의 가치나 멋진 환경을 제공하는 장소가 아닌 공간과 구성요소들이 정형화돼 예측이 쉽고 구축 및 증설이 빠른 기반환경으로서 역할이 강조되고 있다.

클라우드서비스에서 가장 중요한 요소는 속도와 서비스이며 고밀도, 에너지절감, 효율향상이 해결해야 할 과제로 등장했다. 데이터센터는 엄청나게 많은 에너지를 사용하고 있는데 이러한 에너지가 모두 비용이기 때문에 어떻게 하면 데이터센터를 효율적으로 냉방할 수 있을까하는 고민이 이뤄지고 있다.

모듈러 데이터센터는 기반설비를 빠르게 설치하고 증설하기 위해 등장한 지 20년이 넘은 개념으로 단일공간, 모듈러 공간, 컨테이너기반 등 3가지 방식으로 구성된다.

단일공간은 전통적 데이터센터와 비슷한 개념이며 최근 빠르게 바뀌고 있는 데이터센터 트렌드에 대응, 리모델링을 해결하기 위해 모듈러 공간 개념이 탄생했다. 건물공간은 초기에 구축하고 수요에 따라 기반설비를 추가해 나가는 방식이다. 상가를 지어놓고 단계별로 임대를 하듯 배관, 전기 등 기반인프라만 초기에 설치한다. 장점은 초기투자비용이 크지 않으며 전력밀도를 높일 수 있다는 것이다. 또한 발주에서 구축까지 6개월에서 1년이면 된다.

이보다 더 빠른 변화에 대응하기 위해 컨테이너기반 구성이 등장했다. 전력밀도는 랙당 15~20kW까지 가능하며 컨테이너 단위로 증설, 발주에서 설치까지 6개월이면 충분하다. 특히 기존 창고, 공장 등 유휴공간에 설치할 수 있어 활용도가 높고 작은 규모로도 구축이 가능해 엣지데이터센터로 사용할 수 있다. 랙당 40kW급 초고밀도 데이터센터를 구축할 수 있는 방안이 인라인 냉각장치(랙 냉각) 방식도 가능하다.

문규영 이사는 “컨테이너 데이터센터는 삼성디지털시티 수원사업장 내에 사용하지 않는 낡은 공장 건물을 재활용해 클라우드 데이터센터를 구축한 사례가 있다”라며 “컨테이너 두 개를 결합해 랙을 2열로 배치했으며 독립적인 냉각과 UPS를 구성했다”고 말했다. 이어 “발주 후 6개월 이내에 구축을 완료하는 방식으로 수요에 따라 3년 동안 단계적인 증설이 이뤄지고 있다”고 설명했다.

판형열교환기 활용 데이터센터 효율화
윤영지 알파라발 프로는 ‘지속가능한 데이터센터 운영에 도움을 주는 판형열교환기’를 발표했다.



알파라발은 수 십년 동안 IT업계의 신뢰할 수 있는 파트너로서 고객과 협력해 안정적이고 환경친화적인 데이터센터 냉각시스템을 공급해오고 있다. 열기술분야에서 80년 이상의 경험을 바탕으로 전 세계 모든 규모의 서버룸에서 프리쿨링 및 에너지절약을 위한 솔루션을 제공하고 있다.

알파라발의 열교환기를 이용한 프리쿨링한 경우 구글이 핀란드 남동부의 항구도시 하미나지역에 설립한 데이터센터 사례가 있다. 구글의 핀란드 데이터센터는 약 9,000m² 규모로 서버안정을 위해 35℃ 이하의 온도를 유지하는 조건이었다. 

이를 위해 알파라발은 발틱해의 차가운 해수를 이용해서 프리쿨링을 적용했다. 핀란드만의 치가운 해수를 취수하기 위한 오토메이션 필터, 티타늄 재질의 판형가스켓 열교환기를 적용했다. 데이터센터의 서버 부하열을 분산시키고 리턴되는 바닷물도 유입되는 온도와 비슷한 온도로 열교환함으로써 환경적 영향을 최소화했다. 이 현장에는 압축기 또는 냉매기반 냉각이 없이 자연적인 해수냉각이 이뤄진 사례다.

덴마크의 오덴세에 위치한 페이스북의 데이터센터는 사용되는 전력을 신재생에너지인 풍력으로만 사용하고 있다. 또한 데이터센터에서 나온 10만MWh의 폐열을 알파라발 열교환기를 이용해 지역난방에 활용하고 있다.

알파라발은 데이터센터용 열교환기를 설계함에 있어 열교환기의 효율성, 신뢰성, 서비스용이성에 기준을 가지고 열판, 가스켓, 프레임 등에서 12가지의 핵심기술을 개발했다. 이 기술들은 에너지비용을 줄이고 안정적인 작동을 가능케하며 유지보수를 단순화하는 데 도움을 주는 요소들이다. 

이러한 혁신기술 중 하나는 커브 플로우라고 불리는 열판의 분배면을 개선해 파울링이 덜 생길 수 있는 구조를 적용했다. 이 구조를 통해 유체가 전열판에 균일하게 흐르고 전열면적 전체가 오염없이 사용할 수 있어 열효율이 높아지고 유지보수 비용을 줄일 수 있다.

윤영지 프로는 “오메가 포트(비원형 포트홀)을 적용해 유체가 원활하게 흐를 수 있도록 구조를 개선, 열교환기가 받아들일 수 있는 유량을 증대시키고 압력강하를 개선해 외부 펌프동력을 줄일 수 있도록 설계했다”라며 “1, 2차측 유체의 유량이나 특성에 맞게 채널유량을 알맞게 조절할 수 있는 비대칭 열판기술인 플렉스 플로우도 적용했다”고 말했다. 이어 “이러한 기술들의 적용으로 기존모델대비 15% 이상의 열전달효율을 개선하는 효과를 가져왔으며 요구되는 부하에 최적화된 열교환기를 공급할 수 있다”고 설명했다.

데이터센터 산업추세 분석
신일섭 버티브 상무는 ‘글로벌 데이터센터 산업 및 기술동향’을 소개했다. 버티브는 몇 년 전부터 데이터센터산업 추세를 예측해오며 지속가능한 발전방향을 제시해왔다. 데이터센터의 전력소모는 많은 관심을 몰고다녔고 아직도 끝나지 않은 이슈임이 틀림없다.



세계적으로 데이터센터산업은 큰 증가세와 함께 하이퍼스케일, 엣지 등의 양극화현상을 보이고 있다. 특히 하이퍼스케일 데이터센터는 2015년대비 올해 2배 이상 증가했으며 앞으로도 이러한 추세는 계속될 전망이다.

이는 데이터센터 기업의 사회적 책임성을 강조하고 있다. WUE(Water Usage Effectiveness)는 데이터센터의 지속가능성을 판단하는 새로운 기준으로 자리잡고 있다. 

공랭식 프리쿨링은 실내기와 실외기 한 쌍을 이뤄 냉매가 응축돼서 액체로 변하고 이를 냉수처럼 사용하는 아이디어다. 글로벌 데이터센터기업인 디지털리얼리티(DRL)는 이를 이용해서 WUE와 PUE를 낮게 유지하며 운영비 절감과 지속가능성을 확보하고 있다. 또한 일본에 위치한 A 글로벌 IT기업의 데이터센터도 이러한 공랭식 프리쿨링 방식을 선택했다.

또한 버티브는 오래 전부터 랙밀도가 급상승할 것으로 예측해왔다. 머신러닝, 딥러닝 등 고성능컴퓨터 필요성이 향상됨에 따라 랙밀도 역시 증가할 것이라는 이유에서다.

이에 대응하기 위해 측면송풍방식 팬월 항온항습시스템을 공급하고 있으며 국내에도 이러한 사례가 있다. 또한 비 전도성 액체를 이용해 서버를 직접 담그거나 CPU, GPU 등 열이 많이 나는 부품만 담그는 방식도 연구되고 있다.

현재 데이터센터산업의 트렌드는 구축시간 단축과 지연비용 감소다. 최근 클라우드 고객들은 상면구축을 위해 오랜시간을 기다려주지 않는다. 

전통적인 데이터센터 구축기간은 고객들이 받아들일 수 없는 기간이기 때문에 나온 방식이 Prefabricate Modular 방식이다. 데이터센터를 모듈화해 사전에 공장에서 생산 후 현장조립을 구축속도를 향상시켰다. 특히 표준화 모듈을 사용해 현장에서 발생할 수 있는 여러문제를 해결할 수 있다.

Prefabricated Modular 방식은 공장환경에서 사전조립, 통합 및 테스트된 시스템으로 설계돼 구현기간을 단축하고 성능 예측가능성을 향상시킬 수 있다. 현장에서 레고처럼 조립 후 외관마감을 통해 디자인적인 차별성도 살릴 수 있다.

스페인의 T-System은 이러한 Prefabricated Modular 방식을 적용, PUE 1.3 데이터센터를 8개월 만에 건설했다. 스웨덴의 페이스북 데이터센터는 Prefabricated Modular 방식의 대규모 현장으로 압축기를 사용하지 않는 단열냉각 솔루션이 적용됐다.

신일섭 상무는 “마이크로소프트가 진행하고 있는 Natick 프로젝트는 바닷속에 데이터센터를 구축하는 기술”이라며 “오늘 소개한 기술들은 최근 개발한 기술들이 아니며 이미 과거부터 Natick 프로젝트처럼 누군가 도전하고 개발한 내용들이 이제야 사용되는 것”이라고 말했다. 이어 “현재 개발되고 있는 기술들이 10년 후에는 트렌드로 자리잡을 수 있는 만큼 우리나라도 소양호를 이용한 데이터센터 구축과 같은 다양한 연구가 이뤄져서 글로벌 데이터센터의 설계지표를 만들길 바란다”고 강조했다.