--AI데이터 센터 냉각시스템--

Question

②수랭식(액체냉각): 냉각수를 칩 가까이 보내는 방식

액체냉각은 공기 대신 냉각수를 배관으로 서버 가까이 보내 열을 흡수하는 방식이다. 액체는 공기보다 열전달 효율이 높아 같은 설비 규모에서 훨씬 많은 열을 처리할 수 있으며, 냉각수를 어디까지 보내느냐에 따라 '직접 칩 냉각'(D2C)과 '후면도어 열교환기'(RDHx) 두 가지로 나뉜다. D2C 방식의 경우 공랭식 대비 에너지 소비를 최대 20~30% 줄일 수 있는 것으로 제시된다.

D2C(Direct-to-Chip)는 GPU·CPU 상단에 콜드플레이트를 밀착시키고 그 안으로 냉각수를 순환시켜 열을 직접 회수하는 구조다. 냉각수는 CDU(냉각수 분배장치)를 통해 각 랙으로 공급되고 회수된다.

RDHx(Rear Door Heat Exchanger)는 랙 후면에 열교환기를 설치하는 방식이다. 공랭식과 액체냉각을 혼합한 형태로, 서버를 통과한 뜨거운 공기가 랙 후면 열교환기를 지나면서 식혀져 실내로 나오는 구조다. 서버 본체와 랙 구조를 그대로 유지한 채 적용할 수 있어 기존 센터를 개조할 때 진입 장벽이 낮은 방식으로 평가된다.

③액침냉각: 서버를 절연 유체에 직접 담그는 방식

액침냉각은 서버 보드를 비전도성 절연 유체가 채워진 탱크에 통째로 담그는 방식이다. 전기가 통하지 않는 특수 오일을 쓰기 때문에 서버가 액체 안에 잠겨 있어도 합선이 발생하지 않는다. 열은 칩에서 유체로 직접 전달되고, 가열된 유체는 열교환기를 거쳐 식혀진 뒤 다시 탱크로 순환된다. 냉각에 팬이 필요 없어 소음이 없고, PUE를 1.05~1.1 수준까지 낮출 수 있다.

작동 원리에 따라 '단상'과 '2상'으로 구분된다. 두 방식 모두 액체에 담가서 식히는 점은 같지만, 열을 옮기는 방식이 다르다. 단상은 유체가 처음부터 끝까지 액체 상태로만 움직이면서 뜨거운 서버의 열을 가져와 열교환기에서 식히고 다시 탱크로 돌아간다. 구조가 단순하고 쓰는 부품도 비교적 일반적이어서 현재 상용화 사례가 가장 많다.

2상은 칩에서 열이 나면 유체가 바로 기체로 변하면서 큰 열을 한꺼번에 흡수하고, 탱크 위쪽 응축기에서 다시 액체로 식어 내려오는 과정을 계속 반복한다. 물이 끓을 때 많은 열을 흡수하는 것과 같은 원리로, 온도를 일정하게 유지하면서 더 많은 열을 처리할 수 있어 랙당 100kW 이상 초고밀도 환경에 적합하다. 다만 탱크를 완전히 밀폐해야 하고, 전용 냉매 비용과 설계 표준화가 진행 중이어서 실제 적용 사례는 단상에 비해 적은 편이다.

출처 : 인베스트 | invest(https://www.investnews.co.kr)

액체 냉각과 액침 냉각 모두 물이 증발 하나요? 다른 자료들 보면 AI데이터 센터에서 냉각하는 과정에서 물이 증발해서 물 사용량이 많다 뭐다 하던데 막상 냉각 방식들 찾아 보니까 증발 관련 이야기는 없어서요.. AI데이터 센터의 물 소비량에 대한 대응책이 뭐가 있나요?

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

수랭식과 액침 냉각 방식 자체는 밀폐된 배관이나 특수 절연 유체 탱크 내부에서 냉각수를 순환시키는 구조이므로 서버 내부에서 물이 직접 증발하는 것은 아니며 대규모 데이터 센터가 서버에서 발생한 열을 외부로 배출하는 과정에서 가동하는 대형 냉각탑의 기화 현상 때문에 막대한 양의 물이 소비됩니다. 즉 언론 등에서 지적하는 AI 데이터 센터의 높은 물 소비량은 서버를 직접 식히는 내부 냉각수가 아니라 냉각탑에서 열을 방출하기 위해 물을 공기 중으로 증발시키는 방식에서 비롯되는 필수적인 수자원 소모를 뜻합니다. 이러한 물 부족 문제를 해결하기 위한 핵심 대응책으로는 물을 전혀 소모하지 않는 공랭식 기반의 드라이 쿨러도입 하수 처리수나 공업용 재생수를 냉각탑 용수로 적극 재활용하는 방안 그리고 차가운 외기나 해양 심층수를 활용하는 친환경 입지 선정 등이 활발히 적용되고 있습니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

서버실 안에서는 증발하지 않아요. 직접 칩 냉각의 냉각수나 액침 냉각의 절연 유체는 밀폐된 배관과 탱크 안을 돌기만 해요. 물은 그다음 단계에서 증발해요. 서버에서 가져온 열은 마지막에 건물 밖 공기로 버려야 하는데, 많은 데이터센터가 이때 냉각탑을 써요. 냉각탑은 물을 뿌려 일부를 증발시키면서 그 기화열로 냉각수를 식혀서, 증발한 만큼 물을 계속 보충해야 해요. 기사는 서버 쪽 방식만 다뤄서 증발 이야기가 빠져 있어요.

대응책으로는 물을 뿌리지 않고 팬으로만 식히는 건식 냉각기를 쓰거나, 더운 날에만 물을 쓰는 하이브리드 방식이 있어요. 액체 냉각은 40도 안팎의 따뜻한 물로도 칩을 식힐 수 있어서 이런 건식 냉각기와 잘 맞아요. 북유럽처럼 서늘한 지역에 짓거나, 수돗물 대신 하수 재이용수를 쓰고, 버려지는 열을 지역 난방에 보내기도 해요. 물 사용 효율은 WUE라는 지표로 비교하니 발표 자료에 함께 넣으면 좋아요 :)

Answer 3

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

액체 냉각과 액침 냉각이라고 해서 냉각수가 반드시 계속 증발하는 것은 아니고 ,서버 내부의 냉각액은 대부분은 밀폐된 회로에서 반복해서 사용됩니다.

특히 D2C는 냉각수가 칩의 열을 받아 순환하고, 단상 액침냉각은 절연유가 액체 상태로 계속 돌기 떄문에 그 자체에서 물이 많이 사라지는 구조는 아닙니다. 2상 액침냉각은 절연유가 증발했다가 다시 응축되지만 밀폐된 장치 안에서 반복되는 과정이라 일반적인 물 소비와는 성격이 다릅니다.

AI 데이터센터에서 물이 많이 소비되는 주된 이유는 서버에서 받은 열을 외부로 버릴 때 냉각탑 등에 따라서 물을 증발시켜 식히는 방식이 사용되기 때문입니다.

따라서 물 사용을 줄이려면 폐쇄형 냉각, 공랭식 열방출, 재이용수 활용, 냉각탑 의존도 감소와 함꼐 서버 자체의 전력과 발열을 줄이는 것이 중요할 것 같습니다.

Answer 4

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

서버 내부 냉각은 물이 증발하지 않지만, 열을 외부로 버리는 냉각탑에서 물이 증발해 소비되므로 건식 냉각,재이용수,서늘한 입지 등으로 물 사용을 줄이는 것이 좋습니다.

Answer 5

안녕하세요.

액체냉각과 단상 액침냉각은 냉각수나 절연유가 순환하며 열을 옮기는 방식이라 냉각액자체가 반드시 증발하는 것은 아니에요. 다만 2상 액침냉각은 냉매가 기화했다가 응축되는 과정을 반복하며, 외부 냉각설비에서 물이 증발할 수도 있어요.

데이터센터의 물 소비는 서버 냉각 방식뿐 아니라 열을 외부로 방출하는 냉각탑 사용 여부에 따라서도 크게 달라져요. 대응책으로는 건식 냉각이나 폐쇄형 냉각 시스템을 활용하고, 냉각수 재이용과 비음용수 사용을 롹대하는 방법이 있죠.

또한 서버의 전력 효율을 높이고 지역의 물 부족 상황까지 고려해 입지를 선정하는 것도 중요해요.

감사합니다.