혁신적인 냉각판 냉각 솔루션으로 데이터 센터의 과제 해결

냉각판 액체 냉각 방식은 데이터 센터 랙에서 발생하는 열을 제거하는 데 사용됩니다. 데이터 센터 랙은 이제 공기 순환으로 제거할 수 있는 양보다 훨씬 많은 열을 발생시킵니다. 고밀도 서버는 지속적인 고부하 처리 과정에서 칩에 열을 집중시킵니다. 팬과 냉각 공기는 이 열에 천천히 도달하며, 이러한 열 축적 때문에 액체 냉각 방식이 필요하게 되었습니다. 금속 냉각판이 프로세서 위에 놓이고 냉각액이 그 안을 흐르면서 열이 전도에 의해 칩에서 방출됩니다.

액체 냉각 방식은 새로운 장단점을 가지고 있습니다. 랙에 액체 냉각기를 설치하면 공랭식 냉각에는 없었던 통합, 비용, 신뢰성 및 열 재활용 문제가 발생합니다. 이 글에서는 데이터 센터에서 콜드 플레이트 냉각 방식이 어떻게 작동하는지, 실제적인 문제점은 무엇인지, 열 부하 측면에서 침수식 및 공랭식과 어떻게 비교되는지, 그리고 개조 전에 확인해야 할 변수는 무엇인지 살펴봅니다. 다만, 현장 조건과 공급업체 데이터에 따라 달라지는 침수 탱크 설계, 시설 냉각수 플랜트 규모 산정 또는 냉각수 조달 사양은 다루지 않습니다.

데이터 센터에서 콜드 플레이트 액체 냉각 방식은 어떻게 작동할까요?

냉각판 냉각은 열을 전도를 통해 액체 순환 시스템으로 전달하며, 대류를 통해 실내 공기로 열을 전달하지 않습니다. 가공된 금속 콜드 플레이트 이 장치는 열전도성 소재를 통해 CPU 또는 GPU에 밀착됩니다. 냉각수는 장치 내부의 채널을 통해 흐르면서 열을 냉각수 분배 장치(CDU)로 전달합니다. CDU는 열교환기를 통해 열을 전체 냉각 시스템으로 전달합니다. 액체가 열원에 직접 닿기 때문에 이러한 방식을 칩 직접 냉각(direct-to-chip cooling)이라고 합니다.

플레이트 재질, 유량, 채널 설계는 각각 플레이트가 흡수할 수 있는 열량에 대한 명확한 한계를 설정합니다. 구리는 알루미늄보다 열전도율이 훨씬 높아(약 400W/m·K 대 240W/m·K), 무게와 비용이 더 들더라도 고자속 플레이트에는 종종 구리가 사용됩니다. 유량은 양날의 검과 같습니다. 유량이 너무 적으면 접합부 온도가 상승하고, 너무 많으면 펌프 동력이 낭비되고 시간이 지남에 따라 채널이 마모될 수 있습니다. 루프는 플레이트에 맞춰 균형을 유지해야 하며, 온도가 안전해 보일 때까지 유량을 임의로 높여서는 안 됩니다.

액체 냉각 방식의 실험실에서도 공랭식 냉각은 거의 사라지지 않습니다. 냉각판이 프로세서에 집중된 부하를 분산시켜 주지만, 메모리, 전력 증폭기, 네트워킹 장비 및 결로 방지에는 여전히 공기 흐름이 필요합니다. 대부분의 실험실은 액체 냉각과 공랭식을 혼합한 하이브리드 방식을 채택합니다.

데이터센터의 효율적인 냉각에 대한 수요 증가

공랭식 냉각의 한계를 넘어선 것은 바닥 면적 때문이 아니라 랙 밀도의 증가 때문입니다. AI 및 고성능 컴퓨팅은 각 랙에 더욱 강력한 프로세서를 탑재하고 있으며, 랙당 발생하는 열은 공조기가 감당할 수 있는 속도보다 훨씬 빠르게 증가했습니다. 대략적인 설계 기준으로, 랙당 약 20kW 정도의 열이 발생하면 공랭식 냉각은 비효율적이게 되지만, 칩에 직접 냉각하는 콜드 플레이트는 그보다 훨씬 높은 열이 발생하여 현재 고밀도 AI 랙이 차지하는 범위까지 도달합니다. 정확한 임계점은 하드웨어, 실내 공기 흐름량, 그리고 유입 온도에 따라 달라집니다.

공랭식 냉방은 비용 문제 이전에 물리적 한계에 부딪힙니다. 팬은 온도 차이와 풍량에 따라 냉방 효율이 달라집니다. 인구 밀도가 높아질수록 필요한 풍량이 비현실적이 되어 실내 온도가 권장 범위를 벗어나 고온 지점이 발생합니다. 고온 지점은 성능을 저하시키고 신뢰성 위험을 높입니다. 이것이 바로 인구 밀도가 높아짐에 따라 냉방 방식을 변경해야 하는 근본적인 이유입니다.

열 전달에 액체를 사용하는 두 번째 이유는 에너지 효율성과 탄소 배출량 감소입니다. 데이터 센터 전력 소비량의 상당 부분을 냉방이 차지하기 때문에 비효율적인 열 시스템은 전기 요금과 탄소 배출량을 모두 증가시킵니다. 열원에서 액체를 사용하면 전력 소비량을 줄일 수 있지만, 절감 효과는 기본 시스템, 기후, 작업 부하에 따라 달라집니다. 따라서 효율 수치는 고정된 값이 아니라 검증해야 할 범위로 간주해야 합니다.

냉각판 액체 냉각 기술이 직면한 과제

냉각판 냉각 방식은 열 문제를 해결하지만, 도입 성공 여부를 결정짓는 네 가지 과제를 추가합니다. 각 과제는 운영자가 확인할 수 있는 변수를 고려한 엔지니어링상의 절충안입니다.

기존 공간과의 통합. 공랭식 홀에 액체 냉각 시스템을 설치하는 것은 어려운 작업입니다. 랙을 하나씩 전환하면 두 개의 냉각 시스템이 동시에 가동되어 시설 관리팀의 운영 부담이 두 배로 늘어나기 때문입니다. 랙들이 CDU와 매니폴드를 공유하는 경우, 전환 가능한 단위는 인접한 행 또는 포드이므로 냉각 루프, 유지 보수 및 누출 경계가 유지됩니다.

개조 비용. 프로젝트를 지연시키는 주요 비용은 냉각판 자체가 아니라 개조 비용입니다. 자본은 CDU, 매니폴드, 배관 및 공간 재구성 작업에 투입됩니다. 투자 회수 기간은 공간의 부하량과 가동 기간에 따라 달라지므로, 각 현장별로 추정치를 산출해야 합니다.

누출 및 부식 방지. 누출과 부식은 액체 냉각 루프의 신뢰성을 결정짓는 두 가지 주요 고장 유형이며, 둘 다 재료 및 화학적 특성과 관련된 문제입니다. 구리 플레이트가 알루미늄에 냉각수를 공급하는 것과 같이 금속이 혼합된 루프는 갈바닉 부식을 유발하기 쉽습니다. 냉각수 화학 성분과 부식 억제제를 접촉 재료에 맞추는 것이 핵심입니다. 부식 방지, 그리고 두 제품 모두 공급업체 사양과 대조하여 검증해야 합니다.

폐열 재활용. 포착된 열을 회수하는 것은 온도와 활용처가 일치할 때만 경제적 효과를 발휘합니다. 냉각판 순환 시스템은 재사용 가능한 따뜻한 냉각수를 공급할 수 있지만, 그 가치는 순환 시스템을 충분히 높은 온도로 가동하고 건물 난방 회로와 같은 인근 활용처가 있을 때만 확인할 수 있습니다. 따라서 열 재활용은 냉방만큼이나 시설 계획 단계에서 중요한 고려 사항입니다.

콜드 플레이트, 침지식 및 공랭식: 열 부하에 맞는 냉각 방식 선택

최적의 방법은 특정 기술 하나에 얽매이는 것이 아니라, 열 부하와 실내 온도 변화 가능 범위에 따라 달라집니다. 냉각판, 침수식, 공기 냉각 방식은 각각 열 전달 과정의 서로 다른 부분을 담당하므로, 어떤 방식이 적합한지는 실내 환경에 맞춰야 합니다.

방법	가장 적합한	주요 절충점
공기 냉각	저밀도 랙; 주변 구성 요소	랙 밀도가 높아질수록 용량이 감소합니다.
콜드 플레이트(직접 칩 성형)	고밀도 CPU/GPU 랙; 기존 공간에 적합	칩만 식히고 랙 전체는 식히지 않습니다. 공기가 약간 남아 있습니다.
담금	매우 높은 열유속	절연 유체에 하드웨어를 담그는 것; 더 큰 작동 변경 사항

냉각판 내부에서는 단상 방식과 2상 방식이 구분됩니다. 단상 방식은 냉각수를 냉각수 분배 장치(CDU)까지 액체 상태로 유지하여 루프 유지보수를 간소화합니다. 2상 방식은 냉각수가 냉각판에서 끓어올라 매우 높은 열유속을 흡수할 수 있도록 하여 냉각 용량을 높이지만 루프 구조가 복잡해집니다. 단상 루프는 일반적인 CPU 및 GPU 밀도에 적합하며, 프로세서의 열유속이 단상 루프가 감당할 수 있는 한계를 초과할 경우 2상 루프가 사용됩니다.

냉각판 냉각을 위한 혁신적인 솔루션

이러한 문제에 대한 해결책은 시스템 설계 방식과 운영 방식, 이렇게 두 가지에 있습니다. 둘 다 유연한 배포를 가능하게 하고 유지 관리하기 쉽게 만드는 것을 목표로 합니다.

모듈식 확장형 아키텍처는 통합 문제를 해결합니다. 행 단위로 확장되도록 설계된 루프는 대규모 개조 없이 공간을 액체 냉각 시스템으로 확장할 수 있게 해주며, 프로세서 세대가 바뀌더라도 계속 사용할 수 있습니다. 플레이트, 채널 및 유로의 크기를 실제 열 부하에 맞게 조정하는 것이 핵심입니다. 냉각판 디자인 루프 크기가 너무 크거나 작으면 나중에 펌프 에너지 낭비나 과열된 칩으로 나타나기 때문에 결과에 결정적인 영향을 미칩니다.

모니터링 및 예측 유지보수는 신뢰성 문제를 해결합니다. 유량, 온도, 압력 센서를 통해 작업자는 가동 중단으로 이어지기 전에 누출이나 채널 오염을 감지할 수 있습니다. 이러한 데이터를 유지보수 일정과 연계하면 액체 순환 시스템에 필요한 수동 감시 작업을 줄일 수 있습니다. 모니터링 계획에는 어떤 변수가 어떤 임계값에서 경고를 발생시키는지 명시해야 하므로, 오류 발생 전에 대응 방안을 정의할 수 있습니다.

냉각판 냉각 구현을 위한 모범 사례

냉각판 도입 계획은 설치 전, 평가 및 시범 운영 단계에서 결정됩니다. 아래 단계들은 배관 설치 후 되돌리기 어려운 비용이 많이 드는 선택 사항들을 사전에 결정해 줍니다.

• 먼저 부하와 여유 용량을 평가하십시오. 시스템 규모는 현재 및 가까운 미래의 랙 밀도를 기준으로 설계해야 하며, 현재의 평균 랙 밀도를 기준으로 설계해서는 안 됩니다. 그래야 하드웨어 교체 후에도 시스템이 안정적으로 작동할 수 있습니다.
• 규모 확장에 앞서 파일럿 테스트를 실시하십시오. 통제된 환경에서 설계를 검증하고 실제 유량, 온도 및 압력을 측정한 후 전체 설비에 적용하십시오.
• 확장성을 고려하여 설계하십시오. 모듈식 레이아웃을 선호하여 향후 추가 랙이나 고밀도 랙을 연결할 때 핵심 회로를 재구성할 필요가 없도록 하십시오.
• 품질이 우수한 접액 부품을 지정하십시오. 누출 및 부식은 가장 약한 접액 부분에서 시작되므로 펌프, 배관, 플레이트 및 냉각수는 동일한 재질 및 화학적 특성을 갖도록 선택해야 합니다.
• 유지보수 및 교육 계획을 수립하십시오. 누수, 부식 및 유량 점검 일정을 정하고 직원이 순환 시스템을 작동할 수 있도록 하십시오.

홀 시공을 확정하기 전에 일반적인 체크리스트 대신 설계 및 공급업체 데이터와 비교하여 몇 가지 핵심 변수를 확인하십시오. 각 변수에 대해 설계값과 측정값을 기록하여 차이를 명확히 파악하십시오.

• 냉각수 공급 및 회수 온도와 CDU 및 플레이트 설계 범위 간의 관계
• 설계점에 따른 플레이트당 유량 및 압력 강하
• 최대 부하 시 칩 온도 여유
• 누출 감지 범위 및 대응 상태
• 모든 접촉 부품에서 재질 및 냉각수 호환성이 보장됩니다.
• CDU에서 설비 루프로의 열 균형

해당 목록의 모든 제한 사항은 하드웨어, 콜드 플레이트, CDU 및 냉각수 공급업체 데이터에서 비롯됩니다. 정해진 수치가 아니라, 입력해야 할 내용의 틀이 제공되는 것입니다.

건물 경계면에서의 열 방출량을 과소평가하기 쉽습니다. CDU는 부하를 시설 루프로 전달해야 하며, 그 열이 어떻게 부지 밖으로 빠져나가는지는 다음과 같습니다. 데이터센터 냉각기 또는 재사용 회로는 랙 측에서 감당해야 하는 냉각수 온도를 설정합니다.

결론

냉각판 액체 냉각은 랙 밀도가 공랭식 냉각의 한계를 넘어설 때 그 진가를 발휘하며, 설치 적합성과 실행 가능성을 고려해야 합니다. 핵심은 칩에서 냉각수로 전달되는 경로에 있습니다. 냉각판 재질과 유동 균형은 제거할 수 있는 열량을 결정하고, 집적도, 냉각수 화학 성분, 열 방출 특성은 시스템의 안정성과 개조 비용 대비 효과를 좌우합니다. 흔히 오해되는 점은 냉각판이 공랭식을 완전히 대체한다는 것인데, 실제로는 프로세서에 집중된 부하를 처리하고 랙의 나머지 부분은 공랭식으로 유지하는 방식입니다.

이전을 고려하는 운영자는 세 가지 사항을 우선적으로 고려해야 합니다. 목표 랙 밀도, 한 번에 한 행씩 이전할 수 있는 공간, 그리고 포집된 열을 어디로 보낼 것인가입니다. 냉각판 설계는 명목상의 효율 수치가 아니라 이러한 열 부하에 맞춰야 하며, 이것이 프로세서가 변경되더라도 냉각 루프가 계속 작동하도록 하는 핵심입니다.

자주 묻는 질문

추가 자료

• LBNL 데이터센터 에너지 전문센터 — 미국 에너지부 산하 국립 연구소 프로그램으로 데이터 센터 전력 및 냉각 기술을 다룹니다. 데이터 센터 에너지 및 냉각에 대한 배경 정보를 제공하는 벤더 중립적인 허브입니다. 이 자료는 일반적인 방향 설정용으로만 참고하시고, 특정 사이트에 맞춘 규모 산정에는 사용하지 마십시오.
• 칩 직접 냉각: 데이터 센터 운영자가 알아야 할 모든 것 — 데이터 센터 지식(Data Center Knowledge), 업계 간행물. 칩 직접 냉각 방식의 작동 원리와 장단점을 이해하기 쉽게 설명한 자료입니다. 엔지니어링 사양서가 아닌 참고 자료로 활용하시기 바랍니다.
• 데이터센터 액체 냉각을 위한 최고의 전략 — ENCOR Advisors는 데이터 센터 자문 회사입니다. 액체 냉각 도입 및 구현 전략을 다루고 있으며, 제시된 수치는 참고 자료로만 활용하고 자체 사이트 데이터와 비교하여 검증하시기 바랍니다.

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