데이터센터

“공랭식에서 수랭식으로” 데이터센터 냉각 시스템의 이해

Mustafa Keskin | COMPUTERWOCHE 2024.06.25
데이터센터의 전력 요구 사항이 증가함에 따라 공랭식 냉각은 한계에 도달하고 있다. 수랭식이 해결책이 될 수 있지만 조정이 필요하다.

데이터센터는 서버, 스토리지, 네트워크 하드웨어 및 기타 다양한 장치에서 소비되는 전기 에너지가 열 에너지로 변환되기 때문에 매우 뜨겁다. 따라서 데이터센터에는 온도를 조절하고 장비의 적절한 기능과 수명을 보장하기 위한 효과적인 냉각 시스템과 방법이 필수적이다. 이런 시스템은 서버 룸의 열 에너지를 외부로 방출한다. 
 
ⓒ Getty Images Bank

수년 동안 공기는 열 교환을 위한 가장 중요한 매개체였다. 열 에너지를 방출하려면 차가운 공기가 모든 중요 구성 요소를 통과해야 한다. 이런 공기 순환은 데이터센터 소음의 주된 원인 고성능 팬과 대형 방열판을 통해 이루어진다.
 

뜨거운 공기와 엄청난 소음 

일반적인 데이터센터의 소음 수준은 70~80dB이며, 때로는 최대 90dB에 이르기도 한다. 비교를 위해 일반적인 대화는 60dB, 진공 청소기는 약 75dB, 알람 시계의 벨소리는 약 80dB이다. 만약 85dB 이상의 소음에 장시간 노출되면 영구적인 청력 손실을 초래할 수 있다.

일반적인 공랭식 냉각 시스템은 먼저 바닥 환기구를 통해 데이터센터의 냉기 통로(Cold Aisle)로 차가운 공기가 유입된다. 차가운 공기는 서버 랙을 통과하면 열을 가져와 상부의 열기 통로(Hot Aisle)로 열을 전달한다. 마지막으로 천장 통풍구를 통해 가열된 공기를 흡입해 CRAC(Computer Room Air Conditioning) 장치로 냉각하는 과정을 반복한다. <그림 1>은 공랭식 시스템의 개략적인 순환 과정을 나타낸 것이다.
 
그림 1. 냉기 통로와 열기 통로가 있는 데이터센터의 전형적인 공랭식 냉각 방식. ⓒ Corning

최근 몇 년 동안 서버 인클로저의 전력 요구량이 인클로저당 5~7kW에서 최대 50kW, 경우에 따라서는 100kW 이상으로 급격히 증가하면서 IT 장비에서 발생하는 열도 급격하게 증가했다. 하지만 기존의 공랭식 냉각 솔루션은 공기 분자의 열 전달 효과의 한계 때문에 이런 새로운 현실에 대응하기에 역부족이다.
 

수랭식 시스템에 주목하는 관련 업계

그 결과 액체 기반 열 전달 시스템이 업계 전반에서 빠르게 자리 잡고 있다. 예를 들어 물은 물 분자가 서로 더 가깝기 때문에 공기보다 1,000배 더 큰 냉각 용량을 가지고 있다. 하지만 서버나 IT 장비에서 공기처럼 물을 순환시킬 수는 없다. 하지만 단열 열전도판을 사용하면 단열 파이프와 CPU 및 GPU의 열 발생 부품 주변에 물을 순환시킬 수 있다. 최근 널리 사용되고 있는 방법이다. 

이런 유형의 액체 냉각에는 수직 및 수평 액체 냉각 매니폴드(manifold, 여러 갈래의 관)가 장착된 서버 랙이 필요하다. 또한 서버와 네트워크 스위치는 이제 방열판 대신 액체 냉각 플레이트를 사용해야 한다. 이런 냉각판은 조밀한 배관망을 통해 냉각수 분배 장치에 연결된다.

수랭식 서버 랙 내부를 살펴보면 공냉식 서버에는 없는 많은 파이프와 매니폴드를 볼 수 있다. 매니폴드는 기본적으로 서버에서 나오는 작은 파이프에 연결되는 여러 개의 구멍으로 분기되는 큰 파이프이다. <그림 2>는 수랭식 서버 인클로저의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
 
그림 2. 수랭식 서버 랙 ⓒ Corning
 

침수 냉각 솔루션의 두 가지 변형

침수 냉각 솔루션은 두 가지 방식으로 개발됐는데, 단상 침수 냉각(1PIC)과 2상 침수 냉각(2PIC)이 그것이다.

1PIC 솔루션은 서버가 광유와 유사한 탄화수소 기반 유전체 유체의 냉각수조에 수직으로 설치된다(그림 3). 냉각수는 서버 구성 요소와 직접 접촉해 열을 전달하며, 가열된 냉각수는 캐비닛 상단을 빠져나와 냉각수 분배 장치를 통해 순환한다. 이는 외부 냉각 시스템에 연결된 온수 회로에 연결된다.

이런 유형의 냉각 솔루션은 수중 서버를 사용해야 한다. 침수 냉각 탱크가 있는 솔루션은 시스템에서 회수되는 온수를 순환시켜 데이터센터 환경으로 열을 방출하는 외부 펌프 및 냉각 타워에 연결해야 한다.
 
그림 3. 1PIC 액체 냉각 시스템 ⓒ Corning

2PIC 시스템에서는 서버가 끓는점(보통 섭씨 50도 미만)이 낮은 특수 개발된 탄화불소 기반 액체 수조에 밀봉된다(그림 4). 서버에서 방출되는 열로 인해 주변 액체가 끓으며, 액체는 증기로 바뀐다. 이 과정을 2상 침수 냉각이라고도 한다. 그런 다음 증기는 냉각된 콘덴서 코일에 도달해 다시 액체 형태로 응축되고, 응축된 액체는 다시 액체 수조로 떨어지고 시스템을 통해 재순환된다.
 
그림 4. 2PIC 액체 냉각 ⓒ Corning

수랭식 인클로저는 구조화된 케이블을 위한 연결 기술을 위해 냉각 파이프와 분배기 사이에 공간이 거의 없다. 따라서 침수 냉각 솔루션의 경우 광학 연결 구성 요소를 냉각 탱크 외부에 배치하는 것이 좋다. 한 가지 옵션은 필요한 광 분배 패널을 오버헤드 하우징 지지대에 장착하고 서버 시스템으로 내려가는 짧은 패치 케이블을 사용해 서버 연결을 설정하는 것이다. 침수 냉각 시스템의 경우, 이런 탱크에 사용되는 액체에 장시간 노출되어도 성능이 저하되지 않는 케이블을 사용하는 것도 중요하다.

수랭 시스템은 전체 데이터센터의 전기 비용을 최대 55%까지 절감할 수 있다. 데이터센터 내 서버의 소음 수준을 낮추는 데도 도움이 된다. 이 때문에 데이터센터가 뜨거워질수록 수랭 시스템의 필요성이 더욱 커질 것으로 보인다.

*Mustafa Keskin는 코닝 옵티컬 커뮤니케이션(Corning Optical Communications)의 애플리케이션 솔루션 매니저이다.
editor@itworld.co.kr
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