대한설비공학회 데이터센터(DC)기술전문위원회(위원장 조진균)는 HVAC KOREA 2025를 계기로 4월11일 서울 코엑스에서 ‘데이터센터 기술 학술강연회’를 개최해 급변하는 데이터센터(DC) 환경에 대응하기 위한 최신 설비기술과 적용사례를 공유했다.

 

이번 세미나는 ‘AI 시대의 핵심! 데이터센터의 역할과 설비기술’을 주제로 총 12명의 산·학·연 전문가들이 설비, 제어, 냉각, 전원, 환경영향까지 다양한 분야에서 발표를 진행했으며 약 200여명이 참석해 높은 관심을 이끌었다.

 

세미나에 참여한 발표자들은 한목소리로 AI 반도체 확산이 냉각설계의 기존 패러다임을 붕괴시키고 있다고 진단했으며 AI 인프라의 핵심 기반으로서 DC 설비기술은 산업설비 수준의 정밀도와 안정성이 요구된다고 입을 모았다. 또한 수냉·전력·제어기술의 통합은 물론 향후에는 DLC(Direct Liquid Cooling) 설비에 대한 열성능 기준과 시험체계, 환경검토 모델까지 포함한 제도적·기술적 인프라 정비가 병행돼야 한다는 인식이 공유됐다.

 

조진균 DC기술전문위원장(한밭대학교 교수)는 “AI가 모든 산업을 지배하고 있는 상황에서 DC 필요성과 관련 기술에 대한 이슈가 계속 증가하고 있다”라며 “이번 세미나는 12개의 방대한 발표로 구성된 만큼 좋은 정보를 얻을 기회로 삼길 바라며 앞으로도 많은 관심을 바란다”고 밝혔다.

 

한국공조엔지니어링, 차세대 액체냉각 ‘프리시전’ 제안

 

DC의 고밀도화·고발열화가 가속화되는 가운데, 기존 공기냉각 방식의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 액체냉각시스템이 급부상하고 있다.

 

명태운 한국공조엔지니어링 부장은 ‘차세대 DC 냉각 시스템’을 주제로 자사 액체냉각 기반 솔루션의 구조와 적용 가능성에 대해 발표했다.

 

명 부장은 “AI, 자율주행, 블록체인 등 고성능 연산환경 확산으로 인해 기존 공기냉각 방식은 서버의 발열량을 감당하기에 물리적 한계에 직면했다”라며 “특히 최근 CPU 소켓당 전력밀도가 급격히 증가하면서 액체냉각으로의 전환이 불가피한 상황”이라고 설명했다.

 

국제표준 가이드라인(ASHRAE) 자료에 따르면 CPU당 소모전력이 꾸준히 증가하고 있으며 이에 따른 냉각난이도도 상승하고 있다. 실제로 최근 고성능 GPU는 1시간 내 100℃까지 상승할 수 있으며 이를 공기로 방열하는 데 한계가 있다는 분석이다.

 

한국공조엔지니어링이 제시한 시스템은 ‘프리시젼 리퀴드쿨링(Precision Liquid Cooling)’ 방식으로 D2C(Direct-to-Chip) 또는 DLC와 이머전쿨링(Immersion Cooling)의 장점을 결합한 하이브리드 구조다.

 

 

명 부장은 “기존 2U 서버를 커스터마이징해 3U 섀시에 장착하고 해당 서버의 주요 발열부위(CPU, GPU, DIMM 등)에 액체를 분사·순환시키는 구조”라며 “서버 내 팬을 제거하고 분산분배시스템을 통해 냉각수효율을 극대화했다”고 설명했다.

 

쿨런트는 GWP(지구온난화지수) ‘0’ 수준의 친환경 전용 플루이드를 사용하며 약 10년간 안정적인 운용이 가능하다. 이 시스템은 서버 유지관리 편의성을 고려해 기존 폼팩터를 최대한 유지하는 방향으로 설계됐다.

 

CFD 시뮬레이션을 기반으로 최적화된 유체분배 설계를 적용한 이 시스템은 공랭식 대비 최대 30% 이상 전력소비를 절감할 수 있는 구조다. 서버밀폐 및 효율적인 냉각으로 인해 서버 자체 소비전력도 10%가량 감소하는 효과가 있으며 설치공간도 축소 가능하다는 것이 강점이다.

 

또한 영국 아이스톱(Iceotope)과의 기술제휴를 통해 CDU(Cooling Distribution Unit)를 포함한 전체 시스템 통합제공이 가능하며 최대 1.6MW급 설비대응도 검증을 완료했다.

 

명태운 부장은 “DC쿨링시스템은 냉각성능뿐만 아니라 유지관리와 확장성, 지속가능성까지 고려한 설계가 중요하다”라며 “프리시전 리퀴드쿨링 시스템은 에너지효율뿐만 아니라 향후 대규모 AI DC 환경에 유연하게 대응할 수 있는 모듈형 구조를 갖추고 있다”고 밝혔다.

 

이어 “DC의 열처리 문제는 앞으로도 기술진화에 따라 더욱 복잡해질 것이며 액체냉각은 단순한 선택이 아닌 필수로 자리잡게 될 것”이라고 덧붙였다.

 

액체냉각·폐열활용 결합, ‘DC 에너지전환’ 키워드 부상

 

DC 전력소비가 폭증하면서 냉각효율을 넘어 에너지전환까지 고려한 열관리기술이 주목받고 있다.

 

김진섭 한국기계연구원 히트펌프연구센터 박사는 ‘DC 액체냉각과 미활용열 활용 냉난방 기술’을 주제로 액체냉각시스템 구조와 이차열활용 방안을 제시했다.

 

김진섭 박사는 “최근 AI 반도체의 고성능화가 냉각수요를 비약적으로 끌어올리고 있다”라며 “NVIDIA의 최신 GPU ‘블랙웰(Blackwell)’ B200은 1,200W급 TDP를 가지며 2028년까지 1랙당 최대 발열량이 1MW(1000kW)에 이를 수 있다는 예측도 나왔다”고 지적했다.

 

이어 “기존 50kW 이상에서 액체냉각 필요성이 제기되던 시점과 비교하면 단위가 다른 상황”이라며 “IEA(국제에너지기구)에 따르면 전 세계 DC 전력소비량은 2022년 460TWh에서 2030년 1,000TWh까지 증가할 것으로 전망되며 이는 대부분 열로 전환되기 때문에 열관리기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다”고 강조했다.

 

김 박사는 냉각방식 전환과정을 △공랭식(Forced Air) △액체냉각(Direct/Indirect) △상변화 기반 냉각(Spray, Pool Boiling 등)으로 분류했다.

 

특히 DLC에 대해서는 “1.1 이하의 PUE(Power Usage Effectiveness)를 실현할 수 있으며 콜드플레이트 기반의 비등전달 방식이 활성화되고 있다”라며 “이러한 액체냉각으로의 전환은 공랭식에서 고려하기 어려웠던 흡착냉각, 흡수냉각 등과의 연계가능성을 높이고 있다”고 진단했다.

 

냉각과정에서 발생한 폐열을 직접난방, 흡착식 냉방, ORC(Organic Rankine Cycle) 발전 등으로 활용하는 방안이 소개됐다. 액체냉각이 기존 공랭식에 비해 고온배출이 가능하기 때문에 활용영역이 넓어진다는 것이다.

 

난방은 45℃ 이상일 경우 지역난방에 공급이 가능하며 냉방은 흡착식을 활용할 경우 50℃ 이상, 흡수식을 활용할 경우 70℃ 이상 열원이어야 활용이 가능하다. 발전은 ORC 방식으로 냉매 증발 후 발전기로 회수가 가능하다.

 

 

이와 관련해 김진섭 박사는 “북유럽 주요기업들은 이미 DC 폐열을 지역난방에 활용하고 있으며 프랑스 에퀴닉스 PA10 DC는 28℃ 온수를 히트펌프로 65℃ 승온해 수영장에 공급하고 스웨덴 에코DC는 목조건축 DC로서 수소 75% 및 풍력 25%를 사용해 100% 재생에너지로 구동되는 PUE 1.2의 DC이며 폐열을 우드펠릿 건조용으로 이용한다”라며 “우리나라는 겨울난방 외에 여름철 냉방수요도 크기 때문에 폐열의 냉방전환기술이 더욱 중요하며 흡착식시스템을 활용한 냉수생산 방식을 검토해야 한다”고 강조했다.

 

현재 한국기계연구원은 관련 내용을 기반으로 MOF 기반 흡착제 개발, 히트‧콜드교환기, 열회수 네트워크기술 등을 패키지화한 과제를 수행 중이다.

 

김진섭 박사는 “단순한 냉각효율 개선을 넘어 에너지 재활용구조 전체를 고민해야 할 시점”이라고 강조했다.

 

대형 상업용DC, E분산형 기계설비 설계 ‘관건’

 

AI 수요폭증과 서버 전력밀도 증가에 따라 DC 설비설계가 복합화되는 가운데 지역에 최적화된 하이브리드 기계설비가 해법으로 주목받고 있다.

 

강화영 삼성물산 프로는 ‘최신 상업용 DC 기계설비 적용 사례’를 주제로 2023년 말 준공된 수도권 대형 프로젝트의 설비구성과 설계‧시공전략을 공유했다.

 

해당 프로젝트는 지하 2층~지상 10층 규모, IT부하 25.4MW, 총수전용량 40MW 상업용 DC로 수도권 하남지구 내 택지개발지역에 위치한다.

 

강화영 프로는 “서버룸은 층별로 랙부하가 상이해 맞춤형 설비가 적용됐으며 설비계통은 IT존과 UT(유틸리티)존으로 명확히 분리됐다”라며 “IT존은 옥상 공랭식 프리쿨링 냉동기가 적용됐으며 UT존은 지역열원 저온수 흡수식 냉동기와 백업용 터보냉동기를 적용했다”고 밝혔다.

 

IT계통 공랭식 프리쿨링냉동기는 냉수온도조건 18‧26℃이며 냉수 1‧2차 펌프시스템을 적용했고 5분 유량을 확보한 버퍼탱크가 설치됐다. 특히 해당지역은 지역난방 공급이 의무화된 지역으로 UT존에 지역열원 기반 냉동시스템을 활용했지만 정기보수 시 무중단 운영 등을 위해 터보냉동기를 병렬설치했다는 점이 설계상 핵심이다.

 

공조설비는 서버룸의 경우 프리쿨링 냉동기를 이용한 냉수식 항온기(FWU: Fan Wall Unit)과 환기용 AHU를 적용했다. 항온항습기실 벽면에서 직접 기류를 공급하는 전면급기 및 상부리턴방식을 활용해 상면 전체를 냉복도(콜드아일)로 유지했다.

 

UT존은 저온수 흡수식 냉동기와 터보냉동기를 이용하는 냉수식 항온기(SHU)와 환기용 AHU를 적용했다. 오피스존은 지열히트펌프를 이용한 냉난방기와 환기용 AHU를 적용했으며 24시간 운영하는 영역은 전기식 히트펌프(EHP)를 적용했다.

 

특히 지열천공 수량이 제한되는 협소부지 조건에서 고효율 천공법을 적용하고 천공위치 변경 및 수량최적화를 통해 공정지연리스크를 최소화했다​.

 

위생설비 측면에서는 냉온수, 생활용수, 오수계통이 모두 별도로 구축됐으며 급수·배수·소화설비도 NFPA 기준에 따라 구성됐다.

 

 

강 프로는 “DC설계는 단순한 기계설비의 집합이 아니라 IT 인프라의 안정성과 직결되는 시스템 통합설계가 핵심”이라며 “설계 초기단계부터 시공, 시운전, 운영까지 전 주기적 통합관리가 중요하다”고 강조했다.

 

강화영 프로는 DC 시공특성과 관련해 “옥상 기계실 중심 구조, 고중량 장비의 양중, 대경배관 다량적용 등은 전통적인 공장설비와는 전혀 다른 시공리스크를 갖는다”라고 경고했다.

 

이를 해결하기 위해 옥상기계실 공정을 집중관리해 장비 양중계획을 조기에 수립했으며 크리티컬 패스를 집중관리했다. 또한 배관 모듈화 설계를 통해 프리쿨링 냉동기-버퍼탱크 간 배관수량을 최소화했으며 설계최적화 및 시뮬레이션을 통해 통합공정 시뮬레이션 기반 배관·장비 배치 구조를 최적화했다. 특히 모듈화 사전계획이 진행돼 랙별 설치구간 구분 및 공기단축 검토를 병행​​했다.

 

강화영 프로는 “공정이 지연되면 공사비 증가와 사업성 악화로 직결되기 때문에 기계설비 공정의 선제적 시공계획 수립이 핵심”이라며 “특히 고밀도 설비와 협소한 시공조건이 만나는 DC 현장에서 ‘설계-시공-공정’의 유기적 통합은 필수”라고 강조했다.

 

‘DC 유해시설 오해’, 과학적 영향평가로 갈등 해소해야

 

수도권을 중심으로 DC 신규입지가 급증하면서 인근 주민과의 갈등이 심화되고 있다. 전자파, 소음, 열방출 등 다양한 유해성 우려가 제기되는 가운데 이에 대한 과학적이고 정량적인 영향평가기준 마련이 시급하다는 지적이 나왔다.

 

민준기 아키필드 본부장은 ‘DC 유해성 여부 검증영향 평가방법’을 주제로 현장 실측기반의 환경영향 검토 프레임워크를 제안했다.

 

민준기 본부장은 “DC는 관련법령상 환경오염시설이나 유해시설로 분류되지 않으며 폐수·유해화학물질·연소가스 등도 발생하지 않아 ‘혐오시설’로 보기 어렵다”라며 “최근 불거진 DC 건립현장 인근주민과의 갈등은 정보 비대칭에서 비롯된 것으로 분석된다”라고 지적했다.

 

최근 실제 DC입지 시 전자파, 열기, 소음, 발전기 배기가스 등을 주장하는 주민민원이 발생하는 경우가 잦다. 이는 실질적 유해성보다는 정보 비대칭과 인식의 괴리가 크다는 것이 민준기 본부장의 설명이다.

 

민준기 대표는 DC인근 민감지역(주거지, 학교 등)에 대해 사전예측 및 사후 모니터링을 병행하는 방식의 영향평가 방안을 소개했다.

 

전자파의 경우 기준은 전자파환경보건법을 적용하며 실제 DC 송전 및 UPS설비에 대한 실측을 통해 자율관리기준(83.3mG) 이하 여부를 검토한다. 소음의 경우 냉각탑, 발전기 등 주요설비 배치 및 방음대책(소음차단벽, 흡음재 등)을 포함해 환경소음 기준 충족여부를 확인한다.

 

열기는 냉각공기 방출에 따른 인근 대기온도 영향을 분석하는 열분포 시뮬레이션을 수행하며 이외에도 디젤발전기 운전 시 발생하는 질소산화물(NOx) 및 미세먼지 농도에 대해서도 대기확산모델 기반 예측을 통해 법적기준 이하 여부를 검토해야 한다.

 

 

민준기 본부장은 “향후 DC입지는 대규모 전력수요와 고성능 IT설비 요구로 인해 도심지 접근이 증가할 수밖에 없다”라며 “객관적이고 표준화된 영향평가 체계가 없다면 민원에 따라 입지가 좌우되는 불합리한 상황이 반복될 것”이라고 지적했다.

 

이어 “개발사업자와 주민, 행정기관 모두가 수용가능한 중립적 검증 프레임워크가 필요하며 이를 제도화하기 위한 업계와 학계의 공동노력이 필요하다”고 강조했다.

 

고밀도시대 최적 수랭식 DC냉각기준 고민해야

 

AI 및 HPC 고도화로 고밀도 DC수요가 폭증하는 가운데 이를 안정적으로 뒷받침할 수랭식 냉각시스템에 대한 최적화 설계사례와 이를 위해 필요한 성능기준 마련 필요성이 공유됐다.

 

조진균 설비공학회 DC기술전문위원장은 ‘고밀도 DC DLC의 열성능평가 및 에너지효율 기준’을 주제로 열관리 체계와 수랭식 설계기준 정립 필요성을 제기했다.

 

DC 열관리는 고발열 환경에서 시스템안정성 유지가 핵심이다. 기존 서버는 공기냉각으로 충분했지만 AI 반도체의 발열특성은 냉각계획 패러다임을 완전히 전환하고 있다. 특히 고성능 GPU가 랙당 80kW 이상 발열을 일으키는 구조에서 DC는 더이상 단순공간이 아닌 고발열 제어산업설비로 인식해야 한다.

 

이에 따라 DC 냉각은 공랭식에서 수랭식으로 체계전 전환이 필요하다. 공랭식은 경제성이 있으나 냉각한계가 명확하며 수랭식 중 최근 각광받는 DLC는 초기비용은 크지만 에너지효율·공간효율·열응답성면에서 최적의 해법이 되고 있다.

 

조진균 교수는 현재 국내외에서 DC용 수냉식 냉각시스템에 대한 공인된 기술기준이 부족했지만 최근 발표된 ASHRAE 기술기준에서 액침냉각을 제외하고 CDU에서 콜드플레이트로 인입되는 냉각수의 공급온도 기준을 제시했다는 점을 소개했다.

 

조진균 교수는 “2013년 ASHRAE TC(Technical Committee) 9.9 및 기타 TC 문서에 일부 수랭식 냉각시스템의 공급온도 등 권고사항이 마련됐으나 대부분이 공랭식을 전제로 공랭식 장비에 공급되는 냉수온도 등에 대한 내용”이라며 “IT장비에 직접 냉수가 공급되는 DLC 적용에 대해서는 핵심이 되는 온도범위, 유량, 정압, 펌프용량 등이 그간 정식기준으로 정립되지 않았다”고 지적했다.

 

이 경우 DLC용 칩 냉각에서는 공급온도 30~50℃ 범위가 필요한 상황이지만 기존 공랭시스템 설계 프레임으로는 이를 반영하기 어렵다. 또한 냉매가 물이 아닌 특수유체일 경우, 정압손실 계산 및 유량설계도 신규체계가 필요한 상황이었다.

 

조진균 교수는 “2024년 발표된 수랭식 냉각 설계기준은 CDU를 중심으로 1차측에 해당하는 냉동기‧냉각탑 등 중앙냉각시스템을 FWS(Facility Water System)으로, CDU를 중심으로 2차측에 해당하는 IT장비로의 냉각시스템을 TCS(Technology Cooling System)로 구분한다”라며 “TCS공급온도를 S30~S50 클래스에 따라 30~50℃로 공급해야 한다는 기준이 제시됨에 따라 냉동플랜트 설비구성이 달라져야 한다”고 밝혔다.

 

이어 “30℃까지 보내려면 냉각탑‧냉동기가 모두 필요하지만 35℃ 이상에서는 냉각탑만으로 가능하며 이 경우 냉각탑 비산률이 약 0.5%임에도 워낙 많은 물을 사용하기 때문에 물사용효율(WUE: Water Usage Efficiency)을 줄이기는 어렵다”라며 “다만 공급온도 45~50℃에 이르는 경우 드라이쿨러만으로 가능하므로 물사용까지 줄일 수 있게 돼 친환경성을 더욱 강화하는 설계가 가능하다”고 밝혔다.

 

 

조진균 교수는 현재 상황에서 고밀도 설비구축 시에는 CDU 중심 설계최적화가 핵심이라고 강조하며 “CDU는 냉각유량과 압력조절, 열교환제어를 일괄 담당하기 때문에 공급온도·정압·냉각부하를 고려한 수압 매트릭스 기반 설계가 필요하다”라며 “실제 프로젝트에서는 이를 바탕으로 펌프용량과 배관분기수를 결정하고 있다”고 소개했다​.

 

먼저 칩온도가 66℃를 넘어가지 않는 수준으로 평가했지만 기준을 통과하지 못했으며 50~60℃를 유지하지 못하면 시스템을 사용하기 어려운 것으로 나타났다. 온도기준을 통해 유량별 정압을 결정할 수 있으며 이를 기반으로 펌프용량을 선정해 각 사례별로 매트릭스 분석을 수행했다.

 

평가 결과 35~40℃는 냉각탑만으로 가능하며 그 이상은 드라이쿨러로 가능한 것으로 나타났다. 이에 따라 PUE는 통상적으로 1.1 이상으로 고려하고 있지만 ASHRAE 기준제시 이후 분석 시에는 콜드플레이트로 1.1 이하도 가능한 것으로 개략적 검증이 이뤄졌다.

 

칠러부터 콜드플레이트까지… LG전자, AI DC 냉각기술 전방위 제시

 

AI 반도체의 발열 특성이 급격히 증가하면서 DC 냉각시스템에 대한 기술적 요구수준이 근본적으로 변화하고 있다. 이러한 상황에서 LG전자는 AI DC를 위한 수직계열화된 냉각설비와 통합제어기술을 제시하며 기술우위를 강조했다.

 

이명규 LG전자 책임은 ‘AI DC 냉각솔루션’을 주제로 발표를 진행해 칠러, 팬월유닛(FWU), CDU, 콜드플레이트를 아우르는 제품군과 이를 유기적으로 통합하는 BECON 제어시스템을 공개했다.

 

이명규 책임은 발표 서두에서 LG전자의 냉각솔루션을 크게 △무급유 수랭식 터보칠러 △공랭식 프리쿨링 칠러 △FWU △CDU △콜드플레이트 등으로 구분하고 서버 내부 냉각부터 냉수열원설비까지 전체 열관리사이클을 단일공급사 솔루션으로 구성할 수 있는 경쟁력을 강조했다.

 

AI 부하 증가에 따른 수랭식 수요확대에 대응해 LG전자는 고효율 무급유 터보칠러를 적용했다. 높은 효율과 서비스로 TCO 절감이 가능하며 빠르고 안정적인 운전으로 가용성 확보가 가능해 하이테크 DC냉각기술 요구수준을 만족한다. 특히 독자개발한 무급유 터보압축기가 적용돼 빠른 대응이 가능하며 인버터 기본탑재로 부분부하 효율이 향상된다. 또한 무급유로 오일관련 부품 유지보수가 불필요하며 직결구동 방식으로 효율과 가용성을 향상했다. 친환경냉매인 R-1233zd를 적용한 Low-GWP 제품으로 고압가스안전관리자 선임이 불필요한 강점이 있다.

 

공랭식 프리쿨링 칠러는 외기활용 냉각이 가능한 3단 운전구조를 적용했다. 외기온도 조건에 따라 기계냉각, 부분 프리쿨링, 완전 프리쿨링 등 단계로 전환되며 하절기 피크로드 완화와 전력사용량 감소에 효과적이다.

 

 

LG전자는 DC 전산실 내부의 온도 편차를 최소화하기 위해 FWU를 출시했다. 다수의 고정압 EC팬을 벽면배열로 구성한 방식으로 랙 전면 또는 상단부에서 균일한 송풍이 가능하다. LG 고효율 EC팬(IE5급)을 탑재한 콤팩트 모듈형 구조로 설치, 점검, 유지보수 편리성을 제공한다.

 

DC 수랭시스템의 핵심 설비인 CDU는 서버단 콜드플레이트로 유입되는 냉매의 온도·압력을 정밀하게 제어하는 장비다. LG전자 CDU는 최대 650kW급 열부하까지 대응 가능하며 최대 8대까지 그룹제어가 가능하다. 고효율 인버터펌프 적용으로 전력비를 절감하며 고효율 열교환기 적용으로 4℃의 낮은 어프로치 온도차를 제공한다. 또한 열교환기 최대내압 20bar로 부품 신뢰성을 향상했으며 30~250마이크론의 고효율 필터와 10.4인치 HMI 적용으로 안정성과 편리성을 확보했다.

 

이명규 책임은 “기존 CDU설비는 다양한 서드파티 부품에 의존했지만 향후 LG전자는 EC팬 부품까지 자체 개발하는 등 완전 내재화된 CDU 플랫폼 구축을 추진 중”이라며 기술 독립화 전략도 함께 언급했다.

 

콜드플레이트는 마이크로 채널(Microchannel) 구조와 병렬배관구성으로 일정한 온도와 유량의 냉각수를 공급함으로써 칩 표면의 열을 빠르게 제거할 수 있는 구조로 제작됐다.

 

이명규 책임은 LG전자의 통합 제어 플랫폼 BECON을 강조하며 서버 냉각장비와 냉동기·펌프·FWU·CDU를 단일제어로 연동하는 체계가 AI DC 운영의 핵심이라고 소개했다.

 

BECON은 부하예측 기반 제어, 장비별 운전동기화, 실시간 피드백 제어를 수행하며 시스템 구성 단순화뿐만 아니라 유지보수 편의성도 향상시킨다. 실증데이터에 따르면, BECON 기반 운영 시 300MW 규모의 AI DC에서 칩냉각 기준 pPUE 1.05 수준의 성능을 기록한 바 있다.

 

LG전자는 국내 통신 3사 및 주요 클라우드 고객사를 대상으로 제품을 공급해 왔으며 최근 북미 하이퍼스케일 DC 프로젝트와 중동 액침냉각용 칠러 등 일부 설비를 수출했다. 향후 AI 전용 신규 DC 구축에 맞춰 콜드플레이트-CDU-BECON 연계 솔루션을 본격 확대 적용할 계획이다.

 

우신기연, 칩 패키지 시스템통합 냉각구조 제시

 

AI서버에서 발생하는 급격한 열부하는 DC냉각기술 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있다. 김진관 우신기연 연구소장은 ‘AI 가속기용 DLC시스템 및 해외 기술개발 동향’을 주제로 반도체 패키지 수준에서 DLC시스템 구조와 설계상 주요쟁점을 분석하고 해외 선도사례를 공유했다.

 

김진관 소장은 발표에서 “NVIDIA H100, B200과 같은 최신 AI 가속기는 소비전력과 발열량이 기존 대비 40% 이상 증가하고 있으며 쿨링이 없으면 3~5분 내 100℃에 도달한다”고 밝혔다.

 

이는 기존 공랭식으로는 처리 불가능한 수준이며 DLC 또는 액침냉각(Immersion Cooling)이 사실상 필수다​. AI 반도체 발열에는 단순 칩뿐만 아니라 2.5D, 3D, CoWoS 등 반도체 패키지기술과 HBM 등 메모리기술발달 역시 영향을 미치며 이에 따라 패키지-보드-랙 통합 냉각설계가 요구되고 있다.

 

DLC 시스템의 핵심 부품인 콜드플레이트는 유체흐름(Flow Path), 냉각판 구조(Microchannel, Microconvective), 누수제어 및 압력강하 대응에 따라 성능이 크게 달라진다.

 

김진관 소장은 “마이크로채널 구조는 열전달 효율이 뛰어나지만 압력강하가 크며 마이크로컨벡티프 방식은 상대적으로 압력 안정성이 높다”라며 “최근에는 두 방식을 결합한 하이브리드 구조도 검토되고 있다”고 밝혔다​.

 

냉각수 필터링시스템도 중요하다. PG25, DI Water 등 냉각유체의 종류에 따라 pH, 전도도, 용존고형물(TDS), 부식억제 등을 고려한 정밀관리가 필요하며 누수와 내부부식에 따른 시스템 다운을 사전에 차단해야 한다는 점도 강조됐다​.

 

우신기연은 발표자료를 통해 TSMC, VERTIV 등 유관산업 주요 글로벌기업들의 제품특성과 이에 따른 냉각기술 트렌드를 소개했다.

 

TSMC는 2.5D, 3D 칩렛 기반 AI칩에 대해 리퀴드쿨링 방식을 채택하고 있다. 미국에너지부(DOE)는 ‘CoolerCHIPS’ 프로그램 통해 고온운전형 AI 서버용 냉각기술을 다수 개발 중이다. 글로벌 IT리딩기업의 협의체 성격인 OCP(Open Compute Project)는 콜드플레이트 설계와 유효성 평가지침(WP)을 제시​하기도 했다.

 

 

특히 DOE가 추진 중인 CoolerCHIPS 프로그램은 PUE 1.05 이하, 공기 35℃ 조건에서도 운용 가능한 고효율 DLC 설계를 목표로 하고 있으며 우리나라도 뒤처지지 않기 위해서는 이와 유사한 실증환경이 필요할 전망이다.

 

김진관 소장은 “AI 고성능서버 에너지밀도는 이제 랙당 80~100kW를 넘기는 경우도 등장하고 있으며 이는 DLC 없이는 설계가 불가능한 수준”이라며 “향후 냉각성능과 유지관리성, 경제성까지 아우르는 국내형 DLC플랫폼 개발이 절실하다”고 강조했다.

 

오토시맨틱스, 슈퍼컴퓨팅센터 AI 제어시스템 사례 발표

 

공공DC의 한정된 상면공간과 전력자원을 효율적으로 운용하기 위한 방안으로 AI기반 자원최적화 제어시스템이 제안됐다. 강나루 오토시맨틱스 대표는 ‘공공DC 상면공간의 AI제어 적용’을 주제로 실제 구축사례와 시스템 구성 방향을 발표했다.

 

강나루 대표는 발표를 통해 “공공DC는 상면설계 시점에 비해 IT 부하가 지속적으로 증가하고 있으며 기존설비 구조로는 유휴공간이 있음에도 전력·냉각용량 때문에 서버증설이 어려운 경우가 많다”고 설명했다​.

 

프로젝트는 광주과학기술원(GIST) 슈퍼컴퓨팅센터를 대상으로 진행됐다. GIST는 과학기술정보통신부에서 지정한 자율주행 초고성능컴퓨팅 전문센터로 2022년 11월 기준 글로벌 슈퍼컴퓨터 순위를 매기는 Top500에서 178위를 차지했다. 이중마루 방식의 하부토출식 공랭식 항온항습기 9대를 도입해 이번 과제 실증센터로 적합해 선정됐으며 대부분 일반적인 공공DC의 구조를 따르고 있다. 실증 전 연평균 PUE는 1.92이며 공공기관 중에서는 비교적 낮은 PUE, 높은 효율로 관리되는 센터로 분류된다.

 

AI기술을 보유한 오토시맨틱스가 주관해 그린DC 전문 컨설팅기업인 데우스가 참여기업으로 컨소시엄을 구성했다. 오토시맨틱스는 산업용AI 전문기업으로 신세계 동대구백화점, 동대문 DDP, K그룹 여의도타워, 신세계 강남점 등 다양한 분야 실적을 보유하고 있으며 건물설비분야에 다수 AI 적용 프로젝트 경험을 보유했다. 데우스는 친환경 하이퍼그린DC 전문기업으로 IT기술 전문가와 DC인프라 전문인력을 보유했으며 제주 드림타워, 말레이시아 Celcom, 판교 알파돔, 에퀴니스 향동DC 등 기본설계 컨설팅 및 기반시설시스템 구축 프로젝트 수행경험을 다수 보유하고 있다.

 

통상 중소규모 DC는 항온항습기를 사용하며 목표온도와 습도를 기기별 개별제어기로 운전한다. 에너지절감은 목표온도 판단이 쉬비 않은 관계로 항온항습기 대수를 줄이는 방식으로 수행한다.

 

이 경우 일부 핫스팟이 발생해도 공기가 섞여 리턴되지만 항온항습기가 이를 인지하지 못하게 되며 이러한 상황을 감안해 목표온도를 낮추므로 과냉방 우려가 있다. 또한 냉난방 및 가습‧제습을 동시해 수행하면서도 각 기기별 독립적으로 판단하므로 부분적으로 상충운전이 발생하는 경우도 있다. 이와 함께 에너지절감을 수동 대수제어로 진행하므로 교번운전이 번거로우며 야간 운전 중인 항온항습기가 고장날 경우 큰 사고로 발전할 가능성도 존재한다.

 

 

이에 따라 이번 프로젝트에서는 AI운전방식을 도입해 항온항습기 전체를 AI로 통합제어하는 것을 목표로 삼았다. AI운전방식은 충분한 온‧습도센서를 설치해 실시간으로 DC 온‧습도를 감지함으로써 핫스팟의 위치와 크기를 파악한다. 또한 개별이 아닌 통합운전을 통해 AI제어기에서 항온항습기에게 각각 실시간 운전명령을 내리며 협력운전을 통해 상충운전을 방지한다. 이와 함께 AI 자동운전을 통해 중요 파라미터를 설정하면 AI가 24시간 운전토록 한다.

 

이를 통해 실시간으로 핫스팟을 판단하고 운전방식을 전환함으로써 문제를 해소하며 이는 목표온도 유지율로 평가하게 된다. 목표온도 유지율이 높기 때문에 목표온도를 높여 설정함으로써 에너지를 절감할 수 있으며 PUE를 통해 성과를 판단한다. 또한 온‧습도 위험구간에 들어가지 않도록 제어해 급격한 부하변동에 효율적으로 대응할 수 있다.

 

이를 위해 AI학습에 필요한 온‧습도 데이터 및 항온항습기 개별 전력량 데이터를 확보하기 위한 신규센서와 전력량계가 설치됐다. 또한 DC 안전성 확보를 위한 안전구간 정의 및 안전제어 로직을 구현했다. 안전제어는 콜드아일 또는 핫아일 온도센서가 미리 정해진 개수 이상 특정 구간에 들어가면 항온항습기 구동 수 1개 증가, 더 심해지면 2개 증가 등으로 제어하는 방식이다.

 

또한 최적화운전 AI모델 ‘CoolPulse AI’를 개발했으며 다양한 시나리오의 운전데이터를 확보해 학습을 진행한 결과 상당한 수준의 정확도를 보였다. 이와 함께 IoT 플랫폼, UI시스템, AI-EMS, 안전제어 로직 등을 모두 통합하는 시스템통합도 진행해 유기적 동작시스템을 구성했다.

 

연구과제 프로젝트 수행결과 기존 규칙기반 제어에 비해 성능 및 안전성을 향상했다. 콜드아일 및 핫아일 목표온도 설정이 가능해져 온도제어능력이 향상됐으며 과냉각 필요성을 줄이고 냉난방 및 가습‧제습 개별운전 충돌현상을 제거해 에너지절감을 달성했다. 또한 먀로 핫스팟 발생률을 감소했으며 강제 안전제어기법 도입으로 안전성을 강화했다. 항온항습기 역시 자동교번운전과 잦은 기동방지로 수명이 증대됨으로써 안전성이 향상됐다.

 

향후 이번 프로젝트를 지속 운영해 하절기 장마철 데이터를 확보해 제습 AI기능을 추가할 예정이며 이중마루방식에서 나아가 FWU 방식에 대해서도 적용을 추진할 방침이다. 또한 오토시맨틱스가 공급하는 볼츠만(BOLTZMANN) 쿨펄스를 반도체 클린룸 FFU 제어 및 프리미엄 오피스 가변풍량방식 바닥공조 등으로 활용처를 다변화할 계획이다.

 

알파라발, 안정적 냉각위한 플레이트 열교환기 및 서브쿨링 시스템 제안

 

AI인프라 고도화로 냉각신뢰성이 더욱 중요해진 가운데 산업용 열교환기 전문기업 알파라발이 DC용 냉각솔루션 시장에서의 기술전략을 공개했다. 윤영지 알파라발 매니저는 ‘알파라발의 DC 냉각기술’을 주제로 고온·고밀도 운전환경에 대응하기 위한 플레이트형 열교환기(PHE) 기반 솔루션과 주요 적용사례를 소개했다​.

 

윤영지 매니저는 “열교환기는 DC 내 냉각탑, 수열원, 드라이쿨러, 폐열재활용, 에어쿨러, 프리쿨링칠러, DLC CDU 등 곳곳에 적용된다”라며 “특히 DC와 직접적인 연관이 있는 프리쿨링 칠러와 리퀴드쿨링시스템 CDU에 적용돼 성능과 효율을 향상시킨다”고 설명했다.

 

프리쿨링칠러의 경우 하절기에는 외기온도보다 FWS 온도가 낮아 기계냉각이 요구되며 이때 FWS는 칠러 증발기로 냉각하는데 FWS 냉각수와 2상 냉매의 열교환으로 냉각이 이뤄지게 돼 더 많은 압축기에너지가 필요하다. 한편 동절기에는 FWS온도가 외기온도보다 높아 기계냉각이 필요치 않아 프리쿨링 열교환으로 냉각하게 되며 FWS 냉각수는 부동액(글리콜)과 열교환해 냉각돼 펌프가동 수준의 적은 에너지만으로 운전이 가능하다.

 

특회 최근에는 고밀도 칩 사용에 따라 리퀴드쿨링이 요구되는 상황으로 단기적으로 단상 DLC 적용검토가 활발하다. DLC시스템의 냉각수 분배 핵심장치는 CDU이며 1차측인 FWS는 확보 가능한 유량, 인입온도, 압력강하 허용범위 등 시설의 쿨링시스템에 따라 달라지게 되며 2차측인 TCS는 냉각용량, 최대온도, 최소유량, 냉각수 수질 등 서버와 칩의 스펙에 따라 달라지게 된다.

 

CDU는 냉각용량에 따라 구분한다. 50~250kW 용량의 경우 단일랙에 냉각수를 공급하는 용도로 적용되며 1차적으로 시장에 적용되고 있다. 대량으로 납품되는 경우가 많아 표준화돼있으며 주로 OEM 생산한다.

 

이에 비해 500~2,500kW 용량의 경우 다수 랙에 냉각수를 공급하며 최근 1MW 수준이 시장의 표준사이즈로 출시된다. 대용량 CDU는 표준화된 제품일 경우 일반적인 성능을 기대할 수 있으며 운영비 절감에 초점이 맞춰진 경우가 많고 표준화된 제어방식을 적용할 수 있다. 반면 커스텀 프로젝트에 적용하는 경우 특정목적을 위해 주문제작하게 돼 성능대비 비용최적화가 이슈이며 특수한 제어방식이 적용된다.

 

 

CDU 열교환기 용량은 유량과 ΔT에 비례한다. 또한 TCS측에서 콜드플레이트로 공급하는 냉각수 온도는 30℃, 회수되는 온도는 40℃이며 이때 CDU 설계와 펌프에 따른 허용 압력손실을 고려한다. FWS측은 열교환기로 공급되는 냉수온도는 26℃이며 열교환기를 통과하고 회수되는 온도는 36℃ 수준으로 시설 쿨링시스템에 따라 허용 압력손실이 달라진다.

 

알파라발의 열교환기의 유연한 플랫폼을 사용하면 성능저하 없이 표면을 최소화하도록 설계를 미세하게 조정하며 최대 에너지효율을 달성해 DC 운영비용을 최소화할 수 있다. 열교환기 크기는 플레이트 표면크기, 다중패스, 혼합채널, 플레이트 개수 등에 따라 7단계로 유연하게 조절할 수 있다. 플레이트는 표면적이 클수록 교환되는 열량이 증가하며 개수가 많을수록 용량이 증가하고 압력손실이 감소한다.

 

존슨콘트롤즈, “자동제어는 기계설비 성능의 종착점… ‘통합관제’ 핵심”

 

DC의 기계설비 자동제어 시스템은 단순제어를 넘어, 전체 설비운영의 ‘중추신경계’로 기능해야 한다는 주장이 제기됐다. 이강현 존슨콘트롤즈코리아 이사는 ‘DC 기계설비 자동제어시스템 구축 시 고려사항’을 주제로 설계 초기단계부터 시운전, 운영까지 이어지는 제어시스템 설계 전략을 발표했다​.

 

이강현 이사는 “자동제어시스템은 설비설계 초기부터 반영돼야 하지만 실제 성능은 설비가 완전히 구축된 후에야 최종 검증된다는 점에서 설계-시공-운영 전 과정의 연계가 매우 중요하다”라며 “제어시스템 검증단계는 레벨0~6으로 나뉘는데 특히 레벨5(IST: Integrated System Test)는 전 설비가 통합적으로 문제없이 작동하는지를 검증하는 핵심절차이며 IST 이후 최종 운영 이전단계(L6: Turnover)는 단순 인수인계가 아니라 설비성능의 최종완성도 확인을 위한 구간”이라고 설명했다.

 

존슨콘트롤즈는 실제 설비구축 전 SFK(Software Factory acceptance Test)와 HFT(Hardware Factory acceptance Test)를 통해 BMS 논리와 제어패널 상태를 사전검증하는 절차를 정형화했다. SFK는 제어로직을 실제 설비없이 GUI 기반으로 시뮬레이션하며 발주처·운영자와 로직동작을 공동 검토하는 것이며 HFT는 제작완료된 제어반을 실물단위로 검수하고 구성품별 신호 및 연결상태를 확인하는 과정이다.

 

이강현 이사는 “초기 로직과 실제 운전로직 간 차이를 줄이기 위해 설계초기부터 디지털트윈 기반의 예측검증이 필수”라고 설명했다.

 

 

자동제어 시스템에서 통신오류 및 장비 간 인터페이스 불일치 문제도 주요 리스크로 지적됐다. 발표 중 소개된 실제 사례에 따르면 FCU 통신오류 발생 시 BACnet 어드레싱 미협조, 제조사간 표준미흡 등 이슈가 빈번하게 발생했다.

 

또한 액추에이터 침수, 밸브 피드백 오류, 동파사고 등 자동제어 연동과 설비유지관리 사이의 단절로 인해 치명적 시스템 중단이 발생할 가능성이 있다는 점이 강조됐다.

 

이강현 이사는 “자동제어와 기계설비 간의 인터페이스 설계는 단순연동이 아닌 상호검증 체계로 구성돼야 한다”라며 “DC 자동제어 구축은 설계사·시공사·운영사·장비공급사·전문 커미셔닝사 등 다양한 주체의 협업을 필요로 하며 일정에 쫓긴 발주처가 품질을 희생하지 않도록 균형 잡힌 리더십과 실시간 정보공유 체계가 중요하다”고 밝혔다.

 

이온, ESS·UPS 통합 ‘하이브리드 전원시스템’… AI DC 대응 솔루션 부상

 

AI 서버 전력밀도가 급증하며 DC 전원공급시스템에 대한 새로운 패러다임이 요구되고 있다. 임승범 이온 센터장은 ‘공조용 하이브리드 UPS 소개’를 주제로 ESS와 UPS를 결합한 고효율 전원공급시스템의 설계개념과 실제 적용방안을 발표했다​.

 

임승범 센터장은 “AI DC는 GPU 연산부하에 따라 순간 전력소비가 평시대비 15배 이상 증가할 수 있다”라며 “단순 UPS로는 대응이 불가능해 ESS 기능을 병합한 하이브리드 시스템이 요구된다”고 설명했다.

 

이온이 제안한 하이브리드 UPS는 다양한 기능을 포함한다. 먼저 ESS 기능이 내장돼 충·방전을 통해 부하 예비전력을 저장한다. 스태틱 스위치를 통해 정전 시 4ms 이내 무순단 절체하며 계량기를 탑재해 충·방전량을 모니터링하고 한전 전기요금 감면에 대응한다. 또한 공조전용 전력 분리공급이 가능해 공조설비 무정전 운전을 보장​한다.

 

임승범 센터장은 “2023년 시행된 분산에너지 활성화 특별법에 따라 일정 규모 이상 전력수요 시설은 분산에너지설비 설치가 의무화되고 있다”라며 “ESS는 설치면적과 비용측면에서 태양광보다 유리하며 자립률 산정 시 2배 가중치를 인정받기 때문에 DC 최적의 대응수단”이라고 설명했다.

 

예시로 제시된 시뮬레이션에 따르면 40MW 수전규모에서 자립률 30% 이상을 확보하려면 태양광은 수만m² 이상의 면적이 필요하지만 ESS는 면적 1%, 비용 60% 이하로 같은 목표를 달성할 수 있다​.

 

 

AI서버의 피크전력 수요에 대응하기 위한 고속 방전 솔루션으로 슈퍼커패시터를 기반으로 한 DC 및 AC 커플링 방식도 함께 제안됐다. DC 커플링은 UPS 배터리단에 슈퍼커패시터를 병렬연결하는 것이며 AC 커플링은 UPS 출력단에 슈퍼커패시터를 연동하는 방식이다. 또한 과부하 대응설계는 150% 부하에 10분 운전, 180%에 1분 이상 운전가능한 솔루션이다. 이러한 시스템은 피크수요만 커패시터가 대응하며 기본전력은 ESS가 유지하는 하이브리드 구조를 갖춘다​.

 

임승범 센터장은 “AI시대 DC는 단순 무정전 전원이 아닌 스마트 전력운영 기반 에너지전략 설계가 필요하다”라며 “하이브리드 UPS는 전력피크 대응, 공조부하 무정전 운전, 분산에너지 법제대응을 동시에 만족하는 솔루션”이라고 강조했다.

 

하이멕, DC 고밀도화에 따른 설계전략·냉각방식 제시

AI 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 확산으로 DC 랙당 전력소모가 100kW에 육박하면서 서버 냉각시스템도 근본적 재설계가 요구되고 있다. 박배균 하이멕 본부장은 ‘서버 단위용량 증가에 따른 쿨링시스템 검토’를 주제로 고밀도화 추세에 대응하기 위한 냉각방식 전환과 설계전략 변화 방향을 발표했다​.

 

박배균 본부장은 글로벌 서버 전력밀도 데이터를 인용해 “현재 시장에서는 30kW 이하의 서버가 약 87%를 차지하고 있어 본격적인 초고밀도 환경으로 완전히 전환되지는 않았다”고 진단했다.

 

그러나 NVIDIA B200, H100 등 AI 가속기의 확산으로 인해 단일 랙 기준 80~100kW급 수요가 현실화되고 있으며 이에 따라 전통적인 공랭식 설계로는 대응이 어려울 것이라고 지적했다.

 

냉각방식은 △공랭식(Air Cooling) △DLC(Direct Liquid Cooling) △Immersion Cooling 등으로 구분되며 각 방식은 투자비, 에너지효율, 운영유지비 측면에서 장단점을 갖는다.

 

박배균 본부장은 “DLC는 초기도입비는 크지만 건축비·운영비절감 측면에서 유리하며 특히 공간효율이 뛰어나 고밀도 환경에서 더 최적화된 방식으로 평가되고 있다”라며 “공랭식은 30~50kW 부하에 대응하며 공간 여유 필요하지만 DLC는 50~100kW 이상 대응이 가능하고 랙단위 설계에 최적화됐다”고 설명했다.

 

 

박배균 본부장은 특정 글로벌서버 제조사의 제품군을 예시로 들며 “최근 공랭식으로도 100kW급 설계가 가능한 랙이 개발되고 있으며 이는 기존 DC인프라를 유지하면서도 AI 대응이 가능한 과도기적 솔루션으로 활용 가능성이 있다”고 설명했다.

 

이는 기존 운영인프라를 보존하면서도 일부 영역만 DLC나 액침냉각으로 전환하는 하이브리드 구성이 당분간 대안이 될 수 있음을 시사한다​.

 

박배균 본부장은 “전력밀도는 계속 올라가겠지만 DC 설계본질은 유연성과 확장성”이라며 “설계 초기부터 다양한 냉각시나리오에 대응 가능한 구조를 확보하는 것이 결국 비용과 운영의 효율을 가르는 핵심”이라고 강조했다.