[기술리포트] AI 워크로드 급증 대응: 데이터센터 차세대 프리쿨링 시스템 완전 분석

 

 

[ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ]

📋 요약

AI 워크로드 증가로 인한 데이터센터 전력 소비 급증에 대응하는 프리쿨링 시스템의 원리와 종류를 분석합니다.

직접식과 간접식 프리쿨링 방식의 특징을 비교하고 데이터센터 에너지 절감 방안을 제시합니다.

 

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데이터센터 프리쿨링 도입 필요성

데이터센터에서는 각종 산업 시설의 데이터를 저장하고 처리하는 IT 장비가 365일, 24시간 무중단으로 운영되고 있습니다.

장비의 최적 성능을 유지하기 위해서는 장비가 설치된 공간의 온도와 습도를 적합한 조건으로 유지해야 합니다.

이에 따라 오늘날 데이터센터에서 소비되는 전력의 약 40%가 냉각을 위해 사용되고 있습니다.

 

국제에너지기구(IEA)에서 발표한 보고서 ‘Energy and AI’에 따르면 2024년 데이터센터의 전력 소비량은 415TWh로 글로벌 전력 소비량 중 비중은 1.5%입니다. 2030년 데이터센터의 전력 소비량은 415TWh의 2배가 넘는 945TWh에 이를 것으로 전망됩니다.

데이터센터 용량 및 전력 소비량(자료:IEA)

AI(인공지능, Artificial Intelligence)가 산업 전반에 보급되기 시작하면서 AI 모델의 학습과 추론을 위해서 HPC(고성능 컴퓨팅, High Performance Computing) 기술의 사용이 확대되고 있습니다.

 

고성능 컴퓨팅 과정에서는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리하기 위해 수많은 프로세서(GPU, CPU)를 동시에 가동하기 때문에 기존 컴퓨팅 과정보다 훨씬 많은 전력을 소비하게 됩니다. AI의 보급 확대에 따라 데이터센터의 전력 사용량은 앞으로도 빠르게 상승할 것으로 예상되고 있습니다.

 

HPC 시장 전망(자료: The Business Research Company)

 

고성능 장비의 도입이 확대되고, 냉방을 위한 전력 사용량이 증가함에 따라 데이터센터의 전체 전력 소비량이 더욱 빠르게 늘어나고 있습니다. 이에 따라 에너지 절감 및 온실가스 감축 목표 달성을 위해 데이터센터의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다.

 

프리쿨링(Free Cooling)은 외부의 차가운 공기를 활용하여 데이터센터를 직접 또는 간접적으로 냉각하는 냉각 방식으로, 대표적인 데이터센터 에너지 저감 솔루션으로서 국내외 데이터센터에서 활발히 도입되고 있습니다.

 

 

프리쿨링의 종류와 원리

프리쿨링 냉각의 원리는 차가운 실외 공기와의 열교환(Heat Exchange)을 통해 실내의 열을 효율적으로 제거하는 것입니다. 프리쿨링은 외부 공기의 도입 방식에 따라 직접식 프리쿨링(Direct Free Cooling)과 간접식 프리쿨링(Indirect Free Cooling)으로 분류할 수 있습니다.

1. 직접식 프리쿨링(Direct Free Cooling)

Direct Free Cooling(자료: STULZ Gmbh)

먼저 직접식 프리쿨링은 외기를 직접 IT 장비에 공급하여 열을 냉각하는 방식입니다. 실외 공기를 직접 사용할 때는 공기에 포함된 습기와 각종 오염 물질이 IT 장비의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문에 냉각에 적합한 조건을 유지할 수 있도록 추가적인 여과 장치, 가습 장치 또는 제습 장치가 필요할 수 있습니다.

 

실외 공기의 온도가 적정 범위 이상으로 낮아진 경우에도, IT 장비의 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 차가운 실외 공기와 따뜻한 실내 공기를 혼합한 후 장비에 공급하는 과정이 필요할 수 있습니다. 이 경우 공기 혼합을 위한 덕트와 혼합비 조절을 위한 댐퍼 등 추가적인 공조 장치를 설치해야 합니다.

 

이에 따라 직접식 프리쿨링을 도입하기 위해서는 각종 공조설비, 유지관리비 등 생애주기 비용(Life Cycle Cost)을 포함한 경제성 분석을 통해 실제적으로 투자 가치가 있는지 면밀히 판단하여야 합니다.

 

장점	단점
가장 높은 이론적 효율 보유	기온이 낮은 지역에서만 가능 실외 공기질에 영향 많이 받음 공기 여과 과정 필요 유지 관리 어려움

 

2. 간접식 프리쿨링(Indirect Free Cooling)

간접식 프리쿨링 방식은 외기와 실내 공기가 직접 접촉하지 않고 열교환기를 통해 냉각하는 방식으로 직접식 프리쿨링에 비해 효율은 낮지만 외부 공기와 실내 공기의 직접 접촉을 최소화하여 운영할 수 있다는 장점이 있습니다. 간접식 프리쿨링은 단계에 따라 Single-stage 방식과 Two-stage 방식으로 분류되며, Two-stage 방식은 다시 실내 유닛의 종류에 따라 두 가지 방식으로 분류할 수 있습니다. 각 방식의 특징은 아래와 같으며 데이터센터 사업자는 운영 환경에 맞는 방식을 선택하여 적용할 수 있습니다.

• Single-stage 방식

 

Single-stage Indirect Free Cooling 방식은 공기-공기 열 교환기를 사용하여 데이터센터 내부의 열을 외부로 전달하는 방식입니다. 내부의 공기는 외부 공기와 직접 접촉하거나 섞이지 않고 열 교환기의 내부 부분을 통해 순환합니다. 외부 공기도 열 교환기의 덕트를 통해 이동한 후 외부로 배출됩니다.

 

장점	단점
아주 높은 효율 보유 실외 공기질에 무관	Two-stage에 비해 큰 설치 면적 필요 백업 냉방 장비 필요 별도 습도 조절을 위한 장치 필요

 

• Two-stage with CRAC and dry cooler 방식

Two-stage with CRAC and dry cooler(자료: STULZ Gmbh)

 

냉매와 압축기를 사용하여 공기를 냉각하는 CRAC(Computer Room Air Conditioner)에 추가 프리쿨링 열교환기를 설치한 방식입니다. 외기 온도가 낮은 기간에는 압축기 없이 프리쿨링 모드로 운전할 수 있습니다.

장점	단점
높은 효율 보유 실외 공기질에 무관 백업 냉각이 포함 단순하고 검증된 시스템	높은 초기 투자비

 

• Two-stage CRAH with chiller 방식

Two-stage CRAH with chiller(자료: STULZ Gmbh)

냉동기(Chiller)에서 공급되는 냉각수를 통해 공기를 냉각하는 CRAH(Chilled Water Computer Room Air Handler)에 추가 프리쿨링 열교환기를 추가한 방식입니다. 외기 온도가 냉각수 온도보다 낮을 경우 프리쿨링 모드로 운전할 수 있습니다.

장점	단점
양호한 효율 보유 실외 공기질에 무관 백업 냉각이 포함 단순하고 검증된 시스템	상대적으로 낮은 온도에서만 운전 가능

 

냉각 시스템 성능 평가

MLC(Mechanical Load Component)는 ASHRAE(미국냉동공조공학회)에서 제안하는 냉각 시스템 성능 평가 지표입니다. MLC는 IT 장비에 투입되는 에너지 사용량에 대한 냉각 시스템 구성 장비에서 사용되는 에너지 총합의 비를 의미합니다.

Mechanical Load Component(자료: ASHRAE)

위 식에서 Ecooling은 냉방과 가습에 필요한 모든 에너지를 말하며, Epump는 펌프에서 사용되는 에너지, Efan,HJ과 Efan,AHU는 각각 냉각탑과 AHU에 사용되는 에너지, EI.TE는 IT 장비에서 사용되는 에너지를 의미합니다.

 

ASHRAE에서는 기후 특성을 기준으로 기후 구역(Climate Zone)을 분류하고 있습니다. 기후 구역은 숫자가 낮을수록 더 따뜻한 기후를 의미하며, 습도 수준에 따라 A(습한 기후), B(건조 기후), C(해양성 기후)로 분류하고 있습니다.

 

데이터센터 프리쿨링 기술의 효용을 평가 시 시스템의 MLC 지표를 계산하여, 기후 구역별 MLC 허용치와 비교 분석한다면 계획 단계에서 시스템 선정의 타당성을 확인하고, 준공 이후 운전의 적합성 여부를 파악할 수 있습니다(김유진 외, 2020).

Climate Zone 분포(자료: ASHRAE)

Climate Zone별 MLC 기준(자료: ASHRAE)

 

결론

 

데이터센터는 AI 시대의 핵심 인프라로 부상하고 있지만, 막대한 전력 소비로 인한 부담도 증가하고 있습니다.

데이터센터의 대표적인 친환경 냉각 방식인 프리쿨링의 구조와 원리를 이해하고, 데이터센터 운영 환경에 맞는 최적의 프리쿨링 방식을 선택하여 적용한다면 탄소 감축과 지속 가능한 데이터센터 구현이라는 목표 달성에 핵심적인 역할을 할 것이라 기대됩니다.

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 프리쿨링 시스템이 데이터센터 냉각에 효과적인 이유는 무엇인가요?

A: 프리쿨링 시스템은 외부의 차가운 공기를 활용하여 데이터센터 내부의 열을 제거하는 방식으로 작동합니다. 기존 냉각 시스템과 달리 압축기나 냉동기의 사용을 최소화하거나 완전히 생략할 수 있어 전력 소비량을 크게 줄일 수 있습니다. 특히 외기 온도가 낮은 기간에는 기계적 냉각 없이도 충분한 냉각 효과를 얻을 수 있어, 데이터센터 전체 전력 소비의 약 40%를 차지하는 냉각 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 프리쿨링은 에너지 효율성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 친환경 냉각 솔루션으로 평가받고 있습니다.

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📚 관련/출처

https://www.kharn.kr/news/article.html?no=21641 https://www.pwc.com/kr/ko/insights/issue-brief/causes-and-implication-in-electricity-power-ai-age.html https://www.kindkorea.or.kr/api/v1/attachment/99d67ce4-1d3b-45c2-8930-496e6a4b31da/download https://www.iea.org/reports/energy-and-ai https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/high-performance-computing-global-market-report https://www.approvedbusiness.co.uk/storage/brochures/7909-stulz-white-paper-free-cooling-for-data-centers-v1.pdf https://www.ashrae.org/file%20library/technical%20resources/standards%20and%20guidelines/standards%20addenda/169_2020_a_20211029.pdf https://www.jkiaebs.org/articles/article/yXG4/