액침냉각(Immersion Cooling)시장이 예상보다 빠르게 다가오고 있다. 서버를 더욱 효과적으로 냉각하기 위한 시스템으로서 데이터센터(DC) 고집적화 추세에 따라 미래 쿨링시스템으로 여겨지던 액침냉각은 디지털전환(DX)과 AI가 촉발한 급격한 데이터생산량에 해법으로 제시되고 있다.
칸kharn과 한국데이터센터에너지효율협회(KDCEA)는 이번 공동기획을 통해 현재 액침냉각산업 동향을 점검함으로써 향후 시장을 전망해본다.
AI붐, DC 고밀화 가속
컴퓨터가 등장한 이후 현재에 이르기까지 빠르게 진행되던 디지털전환은 해마다 데이터생산량을 급증시켰으며 이에 따라 전 세계 각국의 DC도 용량규모를 키워왔다. 이러한 상황에서 맞딱뜨린 AI붐은 지금까지와는 차원이 다른 데이터폭증을 가져왔다.
하이페리온 리서치(Hyperion Research)에 따르면 AI, 머신러닝 및 딥러닝을 기반으로 한 데이터가 매년 약 30%씩 증가하고 있으며 독일 IT시장조사 전문기관인 스타티스타(Statista)에 따르면 2018년 33ZB였던 글로벌 데이터생성량은 2021년 79ZB로 큰폭으로 증가해 2024년 147ZB, 2025년 약 181ZB에 달해 연평균성장율(CAGR)이 26%를 상회할 것으로 예측했다.
IEA(International Energy Agency)는 인터넷 사용자가 2015년 30억명에서 2022년 53억명으로 78% 늘었으며 트래픽은 2015년 0.6ZB에서 2022년 4.4ZB로 600% 증가했다고 밝혔다.
디지털화가 만든 데이터량 증가흐름을 AI가 증폭함에 따라 DC 서버는 폭발적인 데이터처리 수요를 감당하기 위해 단순연산을 반복하는 그래픽처리장치(GPU)를 활용하기 시작했다.
DC 민간연구기관 업타임 인스티튜트(Uptime Institute, 이하 업타임)는 2011년 DC랙당 전력밀도 전망을 발표하면서 당시 평균 2.4kW에서 2017년 5.6kW, 2020년 8.4kW로 급증한다고 예측했지만 실제로는 2022년 미국 DC 54%에서 10~50kW/rack에 이르는 것으로 나타나 예상치를 크게 상회했다.
우리나라의 경우 한국데이터센터에너지효율협회(KDCEA) 조사결과 상업용 DC랙 설계기준 전력밀도는 2014~2017년 4~8kW 수준이었으나 2018~2021년 8~15kW, 최근에는 20kW 이상으로 설계되고 있음을 확인했다.
이처럼 랙 전력밀도 증가에 따라 DC발열관리는 DC운영에 매우 중요한 문제로 부상하고 있다. ASHRAE TC9.9 가이드라인에 따르면 서버를 안정적으로 운영하는데 필요한 최적온도는 18~27℃다.
일반적인 서버에 대부분 탑재되는 CPU는 작동 시 60~95℃로 온도가 상승하며 높은 온도에서 작동할 경우 통상적인 수명이 7~10년보다 낮아진다. 또한 주변온도가 10℃ 상승할 때 하드웨어 신뢰성 및 안정성이 50% 안팎으로 감소하는 것으로 알려졌다.
DC랙 전력밀도 증가는 동일면적에서 발생되는 발열량 증가를 의미하며 이는 전체공간의 온도를 상승시키게 돼 DC운영효율 저하를 야기한다. 이에 따라 고집적DC는 고발열환경에서 안정성, 운영효율을 보장할 새로운 냉각기술과 솔루션을 필요로하게 된다.
최근까지 가장 많이 사용된 공랭식, 냉수식, 냉각수식 공조시스템은 30~40kW 수준 랙 전력밀도까지 냉각이 가능하지만 HPC(High Performance Computing), AI 등을 위한 40kW 이상 랙을 사용하는 DC에서는 한계가 발생한다.
이에 따라 고집적 DC를 더 효율적으로 냉각하기 위해 수냉식(리퀴드쿨링: Liquid Cooling)이 제안되고 있으며 여기에는 RDHx(Rear Door Heat eXchanger), D2C(Direct to Chip), 액침냉각 등이 속한다.
액침냉각, 랙당 100kW 이상서 ‘PUE 1.1’ 가능
1899년 오일을 냉각제 및 절연재로 사용한 리차드 플레밍(Richard Fleming)의 연구로 처음 시작된 액침냉각시스템은 2009년 그린레볼루션쿨링(GRC)이 상업용 액침냉각시스템을 출시하며 시장을 개척했다.
2010년 미다스 글로벌테크놀로지(Midas Global Technologies)는 세계 최초로 액침냉각DC를 설립했으며 2011년 아이소톱(Iceotope)은 밀폐형 랙 기반 액침냉각시스템(새시타입)을 출시했다. 이어 2016년 아스페리타스(Asperitas)가 ‘단상 고밀도 개방형 액침냉각시스템’으로 펌프없이 자연순환하는 액침냉각시스템을 업계 최초로 구현했다.
액침냉각시스템은 비전도성 액체냉매(쿨런트: Coolant)를 열교환매체로 사용해 서버를 냉각한다. 물은 밀도가 997kg/㎥로 공기밀도 1.225kg/㎥보다 약 814배 높으며 동일유량 비교 시 공랭식이 1kW를 처리할 때 수냉식은 약 4,745kW를 처리할 수 있다.
이에 따라 DC에 공기대신 밀도가 더 높은 물을 냉매로 사용함으로써 DC를 효과적으로 냉각할 수 있으며 전력사용효율지수(PUE)도 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다. 업타임에 따르면 비액침냉각 평균 PUE는 1.67에 달하는 것에 비해 액침냉각은 PUE를 1.02까지 낮출 수 있다. 또한 공랭식에서 필요로하는 항온항습기, 냉동기, 이중마루 등 추가적인 설비와 구조물이 필요없어 보다 효율적으로 랙을 배치할 수 있다.
액침냉각시스템은 1상(Single-phase)형과 2상(Two-Phase)형 방식이 있다. 1상형은 냉매의 상태변화가 없는 순환냉각시스템으로 서버를 열전도성 유전체 액체냉각 수조 등에 수직 또는 수평으로 침전시켜 열을 냉각한다. 열은 냉매와 서버간 직접접촉을 통해 전달되며 냉매분배장치(CDU: Coolant Distribution Unit)의 열교환기를 통해 냉각되고 냉각탑을 통해 대기배출된다. 기존 공랭식대비 서버부품 온도를 최대 13℃까지 낮출 수 있는 것으로 알려졌다.
2상형은 서버를 밀폐된 탱크나 특수설계된 액체수조에 침전해 냉각하는 방식으로 서버부품 표면온도가 액체기화온도를 초과할 때 열전달이 발생하며 주변 냉매가 기화하는 상변화를 이용한다. 이때 냉매기체는 수조 상부의 응축기를 통해 액체로 변환돼 냉매로 재활용된다.
E비용‧상면활용 강점
액침냉각은 기존 공랭식대비 상당한 수준으로 PUE를 향상할 수 있으며 DC IT용량 상한을 큰 폭으로 확장할 수 있으나 초기투자비용, 건축‧구조적 측면, 신뢰성 등에 따라 도입확산이 지연되는 측면이 있다.
전 세계적으로 공랭식 DC의 PUE는 1.2~2.9 수준을 보이는 것에 비해 액침냉각DC의 PUE는 1.02~1.1 수준이 가능하다. 이는 DC소비에너지의 약 98% 이상을 IT장비에만 사용하면 된다는 의미로 냉각 등에 소비되는 에너지가 거의 없을 정도로 전력효율이 매우 뛰어나다.
다만 액침냉각을 적용한 실험실 및 시험적용 현장에서 PUE 1.17까지 높아지는 경우도 나타나고 있다. 이는 액침냉각을 통한 효율향상보다는 시험‧실험을 위한 최대용량 냉각성능을 목표로 가동했기 때문이며 통상적인 하이퍼스케일급 DC에 액침냉각을 적용할 경우 어렵지 않게 1.1 이하 PUE 달성이 가능한 것으로 알려졌다.
전력밀도 측면에서도 공랭식DC에 비해 액침냉각DC가 우위를 갖는다. 전력밀도 향상은 센터 상면이용 효율향상으로 이어지며 이는 상업용DC에 매우 중요한 요소다.
공랭식의 경우 랙당 최대 40kW 한계가 있으나 액침냉각의 경우 1상형 100~200kW/랙, 2상형은 250kW/랙 이상도 감당이 가능하다. 공랭식, 액침냉각에 따른 DC 전력밀도에 관한 연구자료에 따르면 공랭식 단위 전력밀도는 0.018~0.028kW/L인 반면 액침냉각의 단위 전력밀도는 최대 13배 높은 0.045~0.23kW/L로 나타났다. 최적화설계를 적용한 경우 최대 4kW/L달성도 가능하다.
공간활용 측면의 강점도 주목받고 있다. 공간활용성 증대는 DC 상면이용율 향상과 직결되므로 사업성에 영향을 미친다. 냉각성능 향상에 따라 랙당 전력밀도가 증가하며 냉동기 등 필요설비의 감소로 동일면적에 더 많은 서버 구성이 가능하다.
소음 측면에서도 공랭식은 150~1,500Hz 대역의 고주파로 평균 96dB, 최대 110dB까지 치솟기도 한다. 서버냉각팬에 따른 소음만 70~90dB에 달하며 ASHRAE에 따르면 팬속도가 20% 빨라질 때마다 소음이 4dB 증가한다. 이에 비해 GRC가 수행한 조사에 따르면 액침냉각 전산실 내부소음 평균은 50.5dB로 나타났으며 삼화에이스 자체연구에서도 액침냉각 도입 시 소음이 약 50% 감소되는 것으로 나타나 공랭식대비 액침냉각 소음이 현저히 낮았다.
비용 측면에서는 도입자본과 운영비용을 세심하게 검토해야 한다. 도입비용에는 IT장비 침전을 위한 밀폐형 탱크‧수조, 냉매, 펌프‧튜브 등이 포함돼 초기비용을 증가시키지만 냉동기를 배제할 수 있어 투자비용을 다소 상쇄할 수 있다.
건축비용의 경우 소폭 절감이 가능하다. 기축 DC에 적용 시 보강공사가 필요해 더 많은 비용이 소요될 수 있으나 신축 DC인 경우 액침냉각은 높은 층고가 필요없으므로 같은 연면적대비 건축비를 절감할 수 있다.
다만 액침냉각의 경우 다량의 냉매가 적용되므로 하중이 커 단위면적당 요구하중을 높여야 한다. 평균적으로 1~2톤/㎡인 공랭식 DC대비 액침냉각은 2~4톤/㎡가 필요하다.
전재필 디토건축사사무소 대표는 “건축비용의 경우 종합적으로 살펴보면 공랭식 DC대비 액침냉각DC가 소폭 절감된다”라며 “현장마다 차이가 있을 수 있으나 약 3% 건축비 절감효과가 있는 것으로 추산된다”고 조언했다.
운영비용의 경우 절감액이 크다. 액침냉각은 팬 사용이 없으므로 공랭식대비 에너지비용을 9~20% 절감할 수 있다. 랙당 10kW인 공랭식DC의 W당 7.02달러에 비해 같은 용량의 액침냉각은 6.98달러로 낮으며 40kW 전력밀도인 경우 랙당 6.02달러를 절감할 수 있다.
이러한 전반적인 액침냉각의 장점에도 불구하고 이미 건축돼 운영 중인 DC의 경우 건축보강공사를 포함한 시스템교체가 복잡하거나 제한적이라는 측면과 365일 24시간 무중단 운영해야하는 DC 특성상 오랜기간 신뢰를 쌓아온 설비 및 시스템을 교체해 운영한다는 의사결정의 어려움은 극복해야 할 과제다.
급격한 시장확대 잠재력 공감대
액침냉각은 고유한 강점에 따라 꾸준히 증가하는 DC수요와 맞물려 시장이 확대되고 있다. 글로벌 시장조사 전문기관인 글로벌마켓인사이트(Global Market Insights)에 따르면 전 세계 액침냉각시장 규모는 2022년 8억달러(약 1조원)에서 연평균 15% 성장해 2032년 40억달러(약 5조4,000억원)에 달할 것으로 전망된다. 또 다른 시장조사기관인 마켓앤마켓(Markets and Markets)도 전 세계 액침냉각 시장규모를 2023년 3억달러(약 4,500억원)에서 연평균 24.1% 성장해 2031년 약 21억달러(약 2조8,000억원)로 예상했다. 기관마다 차이는 있으나 향후 급격히 성장할 것이라는 방향성에 대체로 시각이 일치했다.
액침냉각시장 주요 해외기업은 △리퀴드스택(LiquidStack) △버티브(Vertiv) △서브머(Submer) △슈퍼마이크로(Supermicro) △아스페리타스(Asperitas) △아이소톱 △GRC △카오리(KAORI) △후지쓰(Fujitsu) 등이 있으며 국내기업은 △귀뚜라미범양냉방 △데이터빈 △삼화에이스 △GST(글로벌 스탠다드 테크놀로지) △케이엔솔 △PKI △한국공조엔지니어링 등이 있다.
리퀴드스택은 2012년 홍콩에서 설립돼 올해 미국으로 본사를 옮긴 기업으로 1상형‧2상형 액침냉각, D2C, RDHx 등 액침냉각을 포함한 토탈 리퀴드쿨링솔루션을 보유한 기업이다. 엣지‧5G, HPC, AI 등 DC에 적용가능한 다양한 시스템을 공급하고 있으며 우수한 기술력을 기반으로 업계에서 주목받고 있다. 국내에서는 PKI와 함께 삼성전자와 공동프로젝트를 진행 중이며 냉매는 케무어스, 쉘 등과 함께 협력하는 것으로 알려졌다.
버티브는 GRC와 협력해 개발한 1상형 액침냉각시스템 ‘리버트 VIC(Liebert® VIC)’를 공급하고 있다. 냉각용수로 온수를 사용해 랙당 최대 100kW의 고밀도부하를 지원할 수 있으며 전기적, 화학적으로 모두 불활성이면서 공기보다 열용량이 1,200배 높은 무취, 무독성, 단상냉매인 ElectroSafe™ 유전체 액상냉매를 사용한다. 냉각에너지비용을 최대 95%까지 절감할 수 있는 것으로 알려졌으며 세계적인 지구과학분야 리더기업인 CGG의 노후화된 데이터센터에 냉각용량이 100kW(랙당 25kW)인 42U랙 4개가 포함된 리버트 VIC가 적용됐다.
서브머는 2015년 설립된 스페인 기업으로 유럽‧미국‧호주 등 시장을 중심으로 활동하고 있으며 1상 액침냉각시스템을 개발해 다양한 크기의 액침냉각시스템을 보유하고 있다. 또한 엣지컴퓨팅을 위한 소형시스템부터 모듈러형 DC를 위한 컨테이너까지 다양한 활용성을 강화하고 있다. 친환경 냉각유를 개발해 자체적으로 냉각유 보급이 가능하다. 액침냉각시스템 구축을 위해 인텔 등과 협력하고 있으며 국내에서는 케이엔솔과 손잡고 솔루션을 보급하고 있다.
슈퍼마이크로는 1993년 미국 산호세에서 설립됐다. 하드웨어, 소프트웨어, 클라우드를 포함하는 랙단위 토탈솔루션을 제공하며 리퀴드쿨링 및 에코솔루션이 강점이다. 업계에서 가장 광범위한 포트폴리오를 제공하고 있으며 글로벌 고객기반 제조시설을 보유하고 있다.
특히 2013년 Green 500(NEC)에서 PUE 1.05 이하가 가능한 1상형 액침냉각 서버설계를 통해 서버제조사 중 최초로 X86시스템 1위를 수상했다. 국내 실적으로는 삼성반도체 EDA가 있으며 불소화합물을 냉각제로 활용했다. 글로벌 시장에서는 △Alibaba(하이퍼스케일) △BITFURY(가상화폐) △ExaScaler(슈퍼컴퓨터) △FUJITSU(고성능 연산 컴퓨터) 등에 150MW 이상 데이터센터 프로젝트에 참여했으며 엔비디아(NVIDIA)와 긴밀한 협력관계를 바탕으로 블랙웰용 수냉식 AI서버를 출시하기도 했다.
GRC는 2009년 1상형 액침냉각 시스템을 개발한 미국기업이다. 텍사스주립대 HPC서버를 위한 액침냉각시스템을 납품했으며 세계에서 가장 오래 운영된 액침냉각시스템을 보유했다. 2013~2014년 도쿄공대와 슈퍼컴퓨터 액침냉각시스템을 납품하는 등 성능검증이 완료된 기업이다. 국내에서는 GRC코리아를 통해 서비스하고 있다.
아스페리타스는 2014년 출범해 3년간의 R&D를 거쳐 2017년 첫 DC 액침냉각 솔루션을 출시했다. 유럽 그린테크상, 글로벌 체인지메이커상, 쉘이 주관하는 New Energy Challenge상 등 DC 냉각솔루션과 관련한 국제적 수상실적을 보유했으며 전 세계 슈퍼컴퓨터 다수에 쿨링시스템을 공급했다. GRC, 서브머와 함께 글로벌 3대 액침냉각기업으로 꼽히며 모델명 ‘AIC24’를 공급하고 있다. 순환펌프 없이 자연순환시스템으로 운전신뢰성, 유지보수 용이성, 에너지절감 등이 강점으로 꼽힌다. 또한 서버리프팅을 위한 서비스트롤러를 별도로 공급하고 있어 서버 유지보수를 위한 별도의 시설구축이 필요없다는 강점이 있다. 리퀴드스택 등 동종업계기업과 함께 글로벌 액침냉각시장 확대를 위한 홍보활동에 협력하고 있으며 국내에서는 귀뚜라미범양냉방과 함께 솔루션을 보급하고 있다.
아이소톱은 영국에 본사를 둔 액침냉각 전문기업으로 1상형 액침냉각시스템이자 업계에서 드문 캐비닛형(새시타입) ‘프리시전 리퀴드쿨링(Precision Liquid Cooling)’을 공급하고 있다. 다른 타입에 비해 약 1/10의 절연유를 사용하며 현재 사용되는 공랭식 랙에 액냉각 새시를 삽입하는 Hot-swappable 제품이다. 기존 공랭식 서버랙과 유사하게 수평으로 새시를 꺼내 점검 및 교체하므로 유지보수가 용이하다. 또한 섀시 내부온도가 최대 53℃로 유지돼 60% 이상 열회수가 가능하다. 액침냉각 개발을 위해 메타와 협력한 이력이 있으며 국내에서는 한국공조엔지니어링과 협력해 보급하고 있다.
국내기업인 삼화에이스는 2020년 액침냉각에 대한 기초연구를 시작해 최근 20U 시제품을 발표했다. 1상형‧2상형 액침냉각 솔루션을 보유했으며 최근 공공‧자체 R&D를 활발하게 진행하고 있는 우리나라 쿨링솔루션 선두기업이다.
데이터빈은 국내 냉각기술 전문기업으로 1상형 액침냉각시스템 ‘스마트박스(Smartbox)’를 자체개발해 국내‧외 특허를 진행 중이다. 최초 제품은 국내 공공연구기관에 적용해 운영 중이며 올해 초 국내 굴지의 반도체기업과 실증을 진행한 바 있다. 또한 다수의 DC 시공경험이 있는 삼성물산 건설부물과 협력해 시스템을 공급할 계획이다.
케이엔솔은 스페인기업 서브머와 협력해 액침냉각시장에 진출했다. 서브머의 1상형 액침냉각시스템 ‘스마트팟(SmartPod)’을 공급 중이며 CDU가 내부에 위치한 일체형, 외부에 위치한 블록형 등 2가지 시스템으로 구분된다. 기업들을 대상으로 PoC 검증을 실시하고 있다.
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