증가하는 랙 전력 밀도에 대비하는 데이터 센터 전력 및 냉각 전략

최근 데이터 센터는 IT 기술과 트렌드의 빠른 변화로 인하여 여러 가지 문제에 직면하였다. 고밀도 데이터 센터는 여러 기업들이 직면하여 해결해야 할 중요한 문제가 되었다.

사람들이 인터넷 서비스에 대하여 더 엄격한 조건을 요구함에 따라, 기업들은 매일 24시간 내내 제공되는 상시 가용성에 대한 사용자들의 기대를 충족시키기 위한 방식을 찾아야만 한다. 점점 더 작은 케이스 안에 더욱 많은 컴퓨팅 용량과 리소스가 포함되고 있으면서도, 서버의 개수는 여전히 증가하고 있다. 고밀도의 스몰 폼 팩터 (SFF)의 블레이드 서버부터 하이퍼스케일 서버, 그리고 더 유연한 프레임을 달성하기 위한 컴포저블 인프라 (Composable Infrastructure)까지, 이 모든 것은 이러한 사용자의 요구에 대응하여 개발되고 있다.

더욱 고밀도의 서버가 의미하는 것은 각 서버마다 더 많은 전력 소비가 필요하다는 것이다. 전세계의 관심이 점점 더 에너지 소비에 집중됨에 따라, 기업들은 에너지 효율성 문제와 환경적 책임을 좀더 진지하게 다루기 시작하였다. 가상화 (virtualization) 기술은 각 서버가 더 많은 작업부하를 취급할 수 있도록 함으로써 최대의 잠재력까지 활용되도록 하기 위한 솔루션을 기업들에게 제공한다. 현 시점의 글로벌 클라우드 트렌드에서 이미 많은 기업들이 “Cloud First” 전략을 그들의 최상위 전략 중 하나로 간주하고 있다. 더욱 많은 IT 예산이 “클라우드”에 관련된 IT 인프라와 소프트웨어에 투자되고 있으며, 일부 기업 조직 또는 IT 공급업체들은 심지어 “Cloud Only” 전략을 주요 전략으로 활용하고 있다. 클라우드 데이터 센터에 서버가 조밀하게 배치된 경우, 이러한 상황은 분명히 유지보수에 관련된 더 큰 문제를 가져올 것이다.

모바일화 및 소셜 미디어 플랫폼의 개발 이래, 대규모 컴퓨터 연산 능력의 분석과 추출에 요구되는 데이터는 급격하게 증가하였다. 사물인터넷 (IoT)이 꾸준히 개발됨에 따라, 센서를 통해 수집되는 데이터는 빅 데이터 분석을 위하여 백엔드 데이터 센터로 전달될 것이다. 이러한 변화는 데이터 센터가 고밀도를 추구하는 개발을 수행하도록 만들었다. 데이터 센터 장비의 밀도가 빠르게 증가함에 따라, 기존의 개념에 따라 구축된 데이터 센터만으로는 더 이상 충분하지 않게 되었다.

높은 전력 밀도 때문에 발생할 수 있는 문제

Colocation America의 연구 보고서 (2014)에 따르면, 데이터 센터의 단일 랙 캐비닛의 전력 밀도는 2008년에는 대략 6kW였으나, 2016년에는 12kW에 도달하였다. 2020년까지 데이터 센터의 단일 랙 캐비닛의 전력 밀도는 16.5kW에 도달할 것으로 예상된다. 예를 들어 인텔 사가 두 개의 파운드리를 높은 전력 밀도를 가진 친환경 데이터 센터로 개조하였을 때, 랙 당 전력 밀도는 무려 43kW에 도달하였다.

자료 출처: Colocation America, 2014

최근의 주요 트렌드로서 데이터 센터의 랙당 전력 밀도가 빠르게 증가함에 따라, 각 기업들은 이러한 상황에 수반되는 문제를 다루는 더욱 효과적인 방식을 찾아내야 한다. 예를 들어 높은 밀도는 더 뛰어난 공간 활용을 가능하게 하며, 시스템 실패에 대한 대응 시간은 크게 감소된다. 하지만 전원 장애가 발생하면 장비에 의해 발생한 대량의 열을 방출할 수 없으며 이로 인해 서버 셧다운이 발생하게 될 것이다.

계속 증가하는 전력 밀도는 대부분의 노후한 시설의 처리 능력을 이미 크게 초과하였다. 지난 몇 년 동안 데이터 센터의 각각의 랙은 6kW 전력 밀도를 위하여 설계되었다. 하지만 15kW 이상의 고밀도 랙의 경우, 여러 시설들은 필요한 요구조건을 충족시키지 못한다. 기업들이 클라우드 컴퓨팅이나 빅 데이터 분석과 같은 대량의 리소스를 요구하는 기술을 사용할 때에도, 마찬가지로 가용 용량과 필요 용량 사이의 차이를 감당하기 위한 확장의 문제에 직면하게 된다. 과거에 데이터 센터 냉각 설계에서는 IT 작업 부하가 균일하게 잘 배분된다고 가정하였지만, 실제 운영 환경은 그렇지 않았으며, 특히 특정한 고밀도 랙 캐비닛에서 실제 환경과 차이가 컸다. 기업들은 그들의 냉각 능력이 심각하게 부족한 상태라는 것을 인식하고 있다.

이러한 부족함으로 인하여, 기존에 데이터 센터를 위하여 설계되었던 백업 전력 메커니즘 역시 사라질 수 있다. 불충분한 용량으로 인하여 N+1 구성을 사용하여 설계된 기존의 UPS와 냉각 시스템은 어쩔 수 없이 풀 가동될 것이며, 백업 기능을 상실하게 될 것이다. 또한 가상화 솔루션을 도입한 후, IT 직원들은 버추얼 머신 (virtual machine)을 동적으로 옮길 수 있다. 이로 인하여 데이터 센터의 부하는 변화하게 되고, 과열점 (hot spot)을 찾기가 힘들어질 것이다. 또한 전력 요구사항도 변화하며 그 결과 불필요한 셧다운이 발생하게 될 것이다.

최근 떠오르는 모듈화가 제공하는 더욱 뛰어난 유연성

데이터 센터의 관리자들이 더 많은 압박에 직면하고 있기 때문에 고밀도 데이터 센터는 여전히 여러 가지 잠재적 문제들을 안고 있다. 점점 조밀해지는 컴퓨팅 환경을 유지하고 그것의 가용성을 향상시키는 것 외에도, 비용을 감소시키며 효율성도 증가시켜야 한다. 다행히도 업계의 전문가들은 더 뛰어난 유연성을 제공하고 미래의 작업 부하에 대비할 수 있도록 데이터 센터를 위해 설계된 장비와 제품에 모듈화 개념을 적용하고 있다.

현 단계에서 모듈화 개념은 주로 공간과 시설 설계에 적용된다. 공간 모듈화는 IT 장비를 운용하기 위하여 제공되는 IT 인프라, 랙 캐비닛, 시설로부터의 모듈 사용을 말한다. 각 모듈은 다른 모듈에 의존하며 서로 관련되어 있다. 실제로 기업의 데이터 센터 공간은 기존 서비스와 미래의 확장을 고려한 용량 수요를 평가하는데 사용되며, 더 작은 공간으로 분할되어 모듈로서 간주된다. 시설의 모듈화는 UPS와 같은 전력 시스템, 배전함 (power distribution cabinets), 인-로우 냉각 (in-row cooling), 서버 랙, 열복도/냉복도 밀폐 시스템 (cold/hot-aisle containment)을 포함한 인프라를 위한 모듈형 설계의 사용을 말한다.

“IT 기술은 매일 발전하며 변화하고 있다. 그리고 IT 인프라는 ‘마이크로서비스’ 아키텍처를 향해 발전하는 중이다. 간단히 말해, ‘마이크로서비스’ 아키텍처는 복잡한 대규모 애플리케이션을 구축하기 위한 모듈화의 사용을 의미한다. 확장 수요에 대응하는 기업들에게 필요한 유연성을 제공하고 불충분한 전력 및 냉각과 공간 문제를 극복하기 위하여 이미 수년 전에 데이터 센터를 위한 모듈형 솔루션이 개발되었다.”라고 델타 미션 크리티컬 인프라 솔루션 비즈니스 유닛의 제너럴 매니저인 찰스 차이 (Charles Tsai) 박사는 말한다.

UPS 시스템의 모듈화

한 UPS 판매업체가 수행한 리서치에 따르면, 응답자의 약 50% 정도가 데이터 센터의 정전의 주 원인이 UPS 장비의 고장이라고 생각하고 있었다. 이러한 응답 결과는 데이터 센터의 유지에 UPS시스템이 얼마나 중요한지를 보여준다. 데이터 센터의 밀도가 점점 더 높아짐에 따라, 데이터 센터는 기존의 노후한 UPS 시스템을 교체해야 하며, 교체 시에 고려해야 중요한 사항은 바로 효율성이다. 10년 전에 설계된 UPS 시스템은 듀얼 파워 입력 서버를 위하여 40%의 부하에서 작동할 때 대개 85%의 효율을 나타낸다. 현재의 UPS 시스템의 에너지 효율은 이보다 훨씬 더 높다. Delta의 UPS 솔루션을 예로 들어보면, 20%의 가벼운 부하에서 DPH 500kVA 시리즈 UPS의 AC-AC 효율은 95% 정도가 될 수 있고 피크 효율은 96.5%에 달할 수 있으며, 이것은 확실하게 에너지 비용을 절약시켜 준다.

고려해야 할 또 다른 사항은 데이터 센터의 효과적이 공간 활용이다. 대체로 전력실의 공간이 매우 제한되어 있는 경우에도 전력실은 전력 시설을 확충할 계획을 가지고 있다. 데이터 센터가 각각의 랙 캐비닛에서 더 높은 밀도로 발전하는 경우, 백업 전력 역시 이에 상응하여 증가해야 한다. 기업은 오래된 UPS를 더 높은 전력 용량을 가진 새로운 세대의 UPS로 교체할 수 있다. 예를 들어 Delta는 최근 대규모 데이터 센터를 위한 Modulon DPH 500 kVA 모듈형 UPS를 출시하였다. 이 UPS는 겨우 19인치의 랙 캐비닛 공간을 차지하면서도 세계에서 가장 높은 전력 밀도를 제공한다. 또한 최대 8개의 장치까지 병렬 확장을 구성하여, 4MVA에 달하는 최대 전력 용량을 제공할 수도 있다.

이것은 자가-진단 및 노화 감지 메커니즘을 가지고 있기 때문에, 배터리, 팬, IGBT 모듈, DC 커패시터와 AC 커패시터의 상태를 감지함으로써, 예방적 정비를 통해 오작동과 전력 손실의 위험을 감소시키고 고객의 귀중한 장비 투자를 보호할 수 있다.

기업의 경우, 모듈형 UPS의 또 다른 장점은 전력 모듈의 “플러그 앤드 플레이” 설계이다. 기업의 필요에 따라 수직적 (단일 시스템 캐비닛 내) 확장 또는 수평적 (병렬) 확장을 실시할 수 있다. 기업은 초기 용량 수요 및 미래의 운영상의 확장을 고려하여 유연하게 UPS를 구매함으로써 자본 지출 (CAPEX)를 훨씬 더 낮출 수 있다.

과열점 근처의 RowCool 시스템을 통한 전력 손실의 감소

서버 및 IT 장비 밀도가 더욱 높아짐에 따라, 시설에 대한 요구사항도 점점 더 엄격해지고 있다. 더 높은 전력 공급 밀도뿐만 아니라 냉각 역시 최근 데이터 센터에서 문제가 되고 있다. 데이터 센터의 냉각 설계는 IT 작업 부하가 균일하게 잘 배분된다고 가정하고 있다. 하지만 실제 기업 환경에서는 버추얼 머신의 동적인 이동 또는 IT 장비의 부적절한 배치로 인하여 열 발생의 분포가 불균일할 수도 있다. 앞으로 불충분한 냉각은 고밀도 데이터 센터가 해결해야 할 흔한 문제가 될 것이다. RowCool의 장점은 이 냉각 시스템이 과열점 (hot spot)에 가깝게 설치되며 높은 플로어 아래의 공기 통로에서 냉각 손실이 발생하는 RoomCool 시스템과는 다르다는 것이다. RowCool 시스템은 과열점의 인근에서 충분한 냉각 용량을 제공함으로써 과열점을 제거할 수 있다. 이 시스템에는 절전형 DC 팬 또는 EC 팬과 추가적인 에너지 절약을 위한 팬 속도 제어장치가 장착되어 있다. 팬 속도를 10% 감소시키면 최대 27%의 에너지 소비를 절약할 수 있다. 또한 과열 영역 내 RowCool 장치가 급작스러운 부하 증가에 의해 발생하는 과열점 문제를 해결할 수 있도록 유기적으로 연계된 제어를 수행하기 위하여 제공되는 전체 아키텍처 및 그룹 컨트롤 기능을 위하여 N+1 백업 설계가 사용된다. RowCool 시스템 또한 모듈형 설계를 가지고 있다. 예를 들어 RowCool 29/43kW는 듀얼 파워 서플라이를 내장하고 있을 뿐만 아니라, 시스템 전력에 대한 신뢰성과 보호 능력을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 이 제품은 핫-스왑이 가능한 전원과 팬도 지원하며, 필요한 유지보수 시간을 감소시킬 수 있다. 이 제품의 가변형 팬 속도 조절 설계는 실제 작업 부하에 따라 팬 속도를 조정할 수 있다. 이 모듈화 개념은 RowCool 장치에도 적용되므로, 필요에 따라 적절한 지점에 이 장치들을 추가할 수 있다.

사례 연구: 데이터 센터에 공존하는 중간 밀도 영역과 고밀도 영역

데이터 센터 관리자 협회인 AFCOM의 데이터 센터 밀도 카테고리에 따르면, 저밀도 환경은 각각의 캐비닛이 4kW 미만일 경우이고, 중간 밀도 환경은 5kW – 8kW일 때이고, 고밀도 환경은 9kW - 15kW일 경우이며, 초고밀도는 16kW 이상일 경우이다. 서로 다른 데이터 센터마다 서로 다른 랙 전력밀도 관련 문제를 경험할 수도 있다. 몇몇 데이터 센터에서는 여러 가지 밀도를 가진 랙 캐비닛이 혼합되어 있지만 전력 및 냉각 시스템에서 모두 동일한 설계 개념이 사용될 수도 있다. 어떤 대만 최고의 IC 설계 회사는 자사의 기존 IT 장비와 관련 네트워크 및 운용 환경을 통합해야 할 필요성 때문에 본사에 새로운 데이터 센터를 구축할 계획이다. 현장 점검에 따르면 이 회사의 데이터 센터에는 80 개 달하는 중간 밀도 및 초고밀도 랙 캐비닛이 있으며, 초고밀도 캐비닛은 최대 25kW의 용량이다.

Delta는 여러 가지 사용 상의 필요 때문에 기업에게 저밀도와 고밀도/초고밀도 랙 설계가 모두 필요한 경우, 데이터 센터의 공간을 고밀도 캐비닛 구역과 초고밀도 캐비닛 구역으로 분할하여 랙 설계를 최적화해야 한다고 권고하고 있다. 시설 계획은 전체적인 전력 및 냉각 수요를 포함해야 할 뿐만 아니라 IT 시스템의 배치를 위한 공간 사용을 포함해야 한다. 냉각 솔루션의 사용에는 여러 가지 옵션이 존재한다. 예를 들어 4kW 미만의 랙 캐비닛은 효과적인 냉각을 위해서는 RoomCool만 있어도 된다. 하지만 9kW ~ 15kW의 고밀도 랙의 경우에는 최적의 방열을 위해서는 RowCool 장치를 구비하는 것이 좋다.

이 경우에 Delta는 클라이언트를 위한 초고밀도 구역을 계획하기 위하여 모듈형 설계 개념을 사용하였으며, 하나의 구역 내에 모든 초고밀도 랙 캐비닛들을 배치하였다. 고밀도 애플리케이션을 위하여, 고객은 너비 600mm의 캐비닛에서 업계 최대의 냉각 용량을 제공하는 Delta의 RowCool 95kW를 선택하였다. 또한 Delta는 차가운 공기와 뜨거운 공기가 혼합되는 것을 방지하고 최적의 냉각 효율을 보장하기 위하여 열복도 밀폐 기술 (hot aisle containment)을 사용할 것을 권장하였다.

요약

기술은 매일 발전하고 있다. 최근 떠오르는 사물인터넷, 인공 지능, AR/VR 기술은 클라우드, 모바일, 소셜 미디어, 빅데이터 기술들을 통합하였다. 기업의 경우, 데이터 센터가 직면한 문제들은 점점 더 해결하기 어려워지고 있다. 고밀도로의 발전은 앞으로도 분명히 계속될 것이며, 기업이 자사의 혁신적 애플리케이션 서비스를 홍보하려 할 때, 인프라는 가장 중요한 지원 수단이 될 것이다.

데이터 센터 관리자들에게 고밀도 데이터 센터의 개발은 분명 더 많은 유지보수와 관리 상의 문제를 야기할 것이다. 또한 앞으로는 데이터 센터의 가용성도 문제가 될 것이며, 이러한 상황에서도 비용은 감소되어야 하며 효율성은 증가되어야 한다. 공간 모듈화, 열복도 또는 냉복도 밀폐 기술, RowCool 시스템, 더 효율적인 UPS와 같은 모듈형 설계 및 관련 시설의 사용은 데이터 센터를 위한 더 높은 신뢰성의 아키텍처와 더욱 뛰어난 유연성의 배치를 보장할 것이다.