데이터센터(DC)는 365일 24시간 막대한 양의 데이터를 안정적으로 처리해야 한다.   고성능 서버와 네트워크 장비의 안정적인 운영은 필수적이며 이 과정에서 엄청난 열이 발생한다. DC 냉각시스템은 IT장비의 안정적인 운영환경을 유지하는 핵심요소로 기능에 이상이 생기면 DC 전체의 안정성과 신뢰성이 위협받을 수 있다. 기존 DC 냉각방식은 에너지소비량이 높고 환경에 미치는 영향이 크다는 문제점을 안고 있다. 혹서기에는 극심한 더위와 IT장비 고집적화로 발열량이 급증해 DC 냉각시스템에 대한 부담이 커지고 있으며 효율적인 냉각시스템 구축이 필수적이다. 이러한 상황에서 프리쿨링(Free Cooling)은 에너지효율성을 극대화하는 매력적인 대안으로 주목받고 있지만 대한민국의 혹서기에는 효율성이 제한적이다. EVAPCO의 Closed Circuit Cooler(이하 CCC)는 높은 에너지효율과 친환경성으로 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안이다. CCC는 밀폐형 루프를 통해 냉각수를 순환시키는 증발냉각방식의 냉각탑으로 외부공기와의 접촉을 차단해 오염을 방지하고 깨끗한 냉각수를 유지하도록 지원한다. 이번 기고문에서는 급증하는 데이터트래픽, 발열량 증가, 심화되는 혹서기 등 복합적인 요인으로 중요성이 더욱 커진 DC 냉각기술 중요성을 강조한다.

DC냉각 중요성, 지속가능한 DC를 향한 첫걸음

DC는 끊임없이 진화하고 있다. 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등 첨단기술 발전과 함께 DC의 규모는 계속해서 커지고 있으며 처리해야 하는 데이터의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다.

이러한 변화는 DC 핵심부품인 CPU, GPU 성능향상으로 이어진다. 하지만 성능이 향상될수록 발열량 또한 증가한다는 문제점이 있다.

[그림]은 CPU와 GPU의 발열량, 즉 TDP 변화추이를 보여준다. 최근 몇 년 동안 TDP가 급격하게 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 GPU의 TDP 증가율이 CPU 보다 훨씬 가파른 것을 알 수 있다.

즉 고성능 GPU를 사용하는 작업이 늘어나면서 DC 발열량 관리가 더욱 중요해진 것이다. 과거에는 공랭식 냉각방식만으로도 충분했지만 이제는 CPU와 GPU의 발열량이 급증하면서 기존의 공랭식 냉각방식으로는 한계에 직면하고 있다.

공랭식 냉각방식은 냉각효율이 낮고 많은 에너지를 소비한다. 또한 소음과 공간문제도 무시할 수 없다. 이러한 문제점들 때문에 최근에는 액체냉각 방식이 차세대 DC 냉각솔루션으로 주목받고 있다.

주목할 만한 점은 앞으로는 단일 냉각방식이 아닌 하이브리드 방식이 주류가 될 것이다. 즉 공랭식과 액체냉각을 함께 사용해 각 방식의 장점을 결합하는 방식이다. 랙 내부는 액체냉각으로 냉각하고 랙 외부는 공랭식으로 냉각하는 방식이다.

앞으로 칩의 발열량은 더욱 증가할 것으로 예상되므로 DC 냉각시스템은 더욱 높은 효율성과 유연성을 갖춰야 할 것이다. 액체냉각기술은 물론 하이브리드 냉각방식과 같은 새로운 기술들이 DC 냉각의 미래를 주도할 것이며 이때 반드시 고려해야 할 DC 냉각시스템 장비 중에서도 냉각탑 선정은 필수적으로 고려해야할 요소이다.

냉각탑을 활용한 프리쿨링 설계

냉각탑은 에어컨이나 산업공정시스템에서 발생하는 열을 식히는 데 사용된다. 많은 에어컨시스템은 여름 냉각시즌에만 운영하지만 연중 내내 냉각이 필요한 에어컨 및 공정시스템도 많다.

경우에 따라 겨울철에도 전체 냉각시스템을 가동해야 하는데 이는 DC에서 필요한 냉각조건의 경우이다. 냉각탑은 하절기에 약 32~34℃ 이하 물을 공급해야 하며 동절기에는 더 낮은 주변온도에서 운영한다.

그러나 냉각탑을 프리쿨링으로 사용하도록 설계할 수 있다. 프리쿨링은 외부의 차가운 공기를 이용해 냉각하는 기술로서 냉매 압축기를 사용하지 않고 고효율 열교환기를 통해 냉각수를 냉각하는 방식이다.

주변 조건에서 냉각탑이 시스템에 냉각수를 생성할 수 있는 경우 프리쿨링이 가능하다. 프리쿨링 운전 시 냉각탑 성능은 시스템과 냉각탑 설계에 따라 달라진다.

냉각시스템에 적용되는 제어시퀀스는 냉각탑의 공기와 물 모두를 고려해야 한다. 환경조건에서 냉각탑의 적절한 운영을 보장하기 위해 프리쿨링 중 적절한 제어시퀀스가 적용되는 것이 필수이다.

프리쿨링 운영은 프로젝트 설계초기부터 특정사항을 고려해야 한다. 첫째, 냉각탑 배치 시 냉각탑 위치 및 우세풍*으로 인한 재순환을 방지하기 위해 특별히 주의해야 한다. 강한 우세풍이 있는 경우 유도통풍 냉각탑에 ‘Wind Wall’ 등을 추가하는 것을 고려해야 한다.

둘째, 원격 섬프(sump)**가 불가능한 경우 동결로 인한 운영문제를 방지하기 위해 냉각탑에 히터, 전자식 수위제어, 진동 스위치와 같은 기본 옵션을 장착해야 한다.

마지막으로, 특히 겨울철 냉각부하가 여름철 부하보다 현저히 낮은 경우 용량제어도 신중하게 고려해야 한다. 다중 셀 냉각탑의 개별 셀을 차단하거나 단일 셀에 저유량 헤더를 사용해야 하며 배출되는 물의 온도는 항상 약 3~7°C 이상을 유지해야 한다.

*우세풍: 특정 방향으로 부는 빈도‧강도가 우세한 바람
**섬프(sump): 냉각수나 보충수 등을 모아 저장하는 저수조.

<차맹규 MCE-FM AE사업부 상무>