모듈형 데이터센터 도입: 더 빠르고, 유연하고, 에너지 효율 높은 데이터센터로 가는 지름길

저자: Astrid Hennevogl-Kaulhausen* / 편집자: Ulrike Ostler**

모듈형 UPS 시스템은 어떤 기능을 제공할까요? 모듈형 냉각 시스템은 어떤 이점을 갖고 있을까요? Delta Energy Systems의 UPS 독일 영업지사에서 MCIS(Mission Critical Infrastructure Solutions) 부문 총괄이사를 맡고 있는 Astrid Hennevogl-Kaulhausen은 이렇게 설명합니다.

기존 방식의 데이터센터와 모듈형 데이터센터 간에는 어떤 차이가 있고, 신형 모듈형 데이터센터가 기업에 가져다 주는 이점에는 구체적으로 어떤 것들이 있을까요? 또한 어떤 요구사항을 해결해 주는 데 이상적인 솔루션일까요? 완벽한 기술 및 경제적 이점을 제공하기 위해서 데이터센터를 어떻게 설계해야 할까요?

클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 그리고 사물인터넷(IoT)은 모두 유연성을 갖춘 최고의 성능을 갖춘 데이터센터를 필요로 합니다. 이외에도 간단하고 짧은 계획 단계를 수립하고, 지속적으로 가동되는 상태에서 신속하게 애플리케이션을 배포하고 원활하게 확장할 수 있어야 할 뿐 아니라 높은 에너지 효율과 함께 경제성도 갖춰야 하는 등 필요한 요구사항이 상당히 다양하고 많습니다.

갈수록 복잡해지고 요구사항은 점점 많아져 가고 있는 데, 이런 문제를 명확하게 해결하는 방법은 모듈형 데이터센터를 구축하는 것입니다. 실제 모듈형 데이터센터는 쿨링 시스템, 전원 공급 장치 및 에너지 관리 시스템이 모두 개별적인 구성요소와 모듈로 분리되어 있습니다. 데이터센터의 모든 하부 영역은 크기, 작업부하 및 구성을 토대로 통일된 기준에 따라 설계됩니다. 이런 특별한 구조를 통해 리소스가 분산되지 않고 장애 없이 독립적으로 가동될 수 있습니다.

모듈형 데이터센터의 3가지 장점 요약:

1. 높은 수준의 표준화로 최고의 품질 보장
   구성요소와 프로세스를 높은 수준으로 표준화해 대량 생산을 지원하는데, 이는 곧 저비용, 고품질, 손쉬운 수리 및 짧은 리드타임을 지원한다는 뜻입니다.

2. 높은 확장성 및 유연성 지원
   모듈형 구조를 통해 그때그때 IT 요구사항에 맞춰 수월하게 확장하고 조정할 수 있습니다. 독립형 구성요소와 인터페이스를 설치, 업데이트 및 재구성하면 확장 비용을 훨씬 절감할 수 있습니다.

3. MTTR(평균수리기간) 단축
   모듈 방식을 채택하고, 유연성을 확보하며 플러그인 연결 기능을 갖추게 되면 표준 모듈을 공급하거나 수리할 경우 필요한 사전 케이블 작업(pre-cabling)이나 장치 분배 작업과 같은 여러 운영 단계를 제조업체가 최적의 품질로 경제적으로 수행할 수 있게 됩니다. 플랜트에서 구성되거나 수리되는 모듈은 장애의 원인을 제공할 가능성이 희박합니다.

표준화하면 어떤 이점이 있습니까?

1. 시간 및 비용 절감
   모듈형 데이터센터에서 구현된 높은 수준의 표준화는 여러 이점 중 가장 중요한 요소입니다. 표준화를 통해 배포 시간을 단축하고, 경제성과 확장성을 갖출 수 있게 되기 때문입니다. 비용 측면에서 볼 때 기존 데이터센터에 비해 비용을 절감하게 해주는 세 가지 기본 요소가 있습니다. 첫 번째는 공간을 효율적으로 사용하여 관련 공사 비용을 절감하는 것이며, 두 번째는 모듈 비용에 대한 신뢰성 있는 예측을 할 수 있다는 것입니다. 그리고 세 번째는 고효율성을 발휘한다는 것입니다.
   
   사전 조립된 표준화 구성요소를 이용해 데이터센터를 구축하면 건설 비용이 상당히 줄어듭니다. 턴키 방식으로 진행되는 모듈형 데이터센터의 설계 및 관리 비용은 기존 데이터센터에 투자되는 비용에 비해 30% 더 저렴합니다. 순수 건축 기간은 통상 몇 주 정도에 불과합니다. 기존 방식의 데이터센터 건축은 건설부터 시운전까지 보통 400일 정도가 소요됩니다. 모듈형 데이터센터는 이 기간이 단 몇 달로 줄어듭니다.
   
   모듈형 대량생산 및 표준화 연결 기술이 공사 기간을 대폭 줄이고, 빠른 시일 내에 시운전을 시작할 수 있게 해주는 비결입니다. 모듈들은 사전에 테스트를 거치기 때문에 현장에서 구성 및 연결하는 시간을 대폭 줄일 수 있습니다. 모듈형 데이터센터는 N, N + 1 및 2N과 같은 구성 솔루션도 제공하여 고객의 요구사항에 따라 전력 예비율을 유지할 수 있습니다. 이를 통해 TIA-942표준에서 가장 높은 4등급(Tier 4)의 데이터센터 인증 레벨을 달성합니다.

2. 높은 표준화로 고품질 확보
   케이블을 배치하고 관리하는 방법은 전체 IT 시스템의 설치와 안정성 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 모듈형 데이터 센터에서는 모든 데이터 및 전원 케이블을 표준화하고 사전 구성하므로 손쉽게 비용 효율적으로 설치, 관리 및 수리를 수행할 수 있으며 비용도 절감할 수 있습니다.
   
   또한 표준화되고 고도로 통합된 모듈형 설계를 이용하므로 모듈형 데이터 센터는 더욱 안정적입니다. 게다가 동일한 공급업체에서 모듈을 제공하고 설치를 시작하기 전에 미리 구성하여 테스트를 하므로 안정성이 확실히 보장됩니다. 전원 공급 장치, 냉각 장치, 랙, 케이블, 그리고 전력과 환기 상태를 관리하는 모니터링 시스템과 같은 모든 모듈은 완벽하게 상호 작용하도록 설계되었습니다.

모듈형 UPS 시스템 – 용이한 확장성과 에너지 효율성 지원

전력 비용 절감과 안정적인 전력 공급

데이터센터의 전력 비용은 TCO(총소유비용)에서 가장 큰 몫을 차지하는 비용입니다. 기존 방식의 데이터센터는 PUE (전력사용효율, Power Usage Effectiveness: PUE = 데이터센터의 전체 전력 소비량 / IT 전력 소비량)가 평균 2.0 이상으로 일반적으로 높게 나타납니다. 이는 전체 전력 소비량 중 절반 정도만이 IT작업부하에 사용된다는 의미입니다. 나머지 절반의 전력은 전원공급장치, 냉각 및 조명 시스템과 같은 중요한 실물 인프라에 사용됩니다.

그림 1. 모듈형 UPS를 이용한 원활한 데이터센터 확장

모듈형 데이터센터는 기존 데이터센터에 비해 훨씬 효과적입니다. 전력의 용량 및 작업부하와 냉각 시스템 간에 최적화가 이루어지도록 조정하여 효율성을 강화하고 과도한 구성을 피할 수 있게 해주기 때문입니다. 모듈형 UPS(Uninterruptible Power Supplies)는 예컨대 데이터센터를 확장할 필요가 있을 때 전력 공급 모듈 개수를 쉽게 늘릴 수 있습니다. 이런 방식으로 성장해가면서 UPS는 “원활한 확장”을 이어가게 됩니다.

전력을 절감하려면 구성요소의 효율성은 증가되는 반면 작업부하는 감소되어야 합니다. 최첨단 UPS는 기존 UPS에 비해 전력 비용을 훨씬 절감할 수 있습니다.

데이터센터에는 보통 N+X 리던던시 전원 장치가 설치되지만 안정적인 가동을 위해 때로 2N 구성(이중 버스) 방식으로도 설치됩니다. 이렇게 하면 작업부하가 보통 겨우 30-40% 정도에 머물거나 또는 그 이하로도 감소됩니다.

그림 2: 낮은 작업부하에서 나타나는 높은 효율성: 고효율 UPS는 기존 UPS에 비해 5% 정도 낮은 전력을 소비

시장조사 전문기관인 가트너가 2013년에 발표한 한 보고서에 따르면, 전체 작업부하에서 UPS 효율을 살펴보는 것과 함께 낮은 작업부하에서 나타나는 높은 효율성”의 이상적인 상태를 확인하기 위해 20-100% 사이의 작업부하에서 나타나는 효율 곡선(그림 2 참조)을 고려하는 것이 특히 중요합니다.

데이터센터의 주간 및 야간 작업부하를 고려한다면 높은 효율성을 갖춘 모듈형 UPS를 권장합니다. 예를 들어 200kVA 용량의 UPS의 경우 기존 UPS에 비해 5% 더 낮은 전력을 사용합니다.(표 1 참조).

표 1. UPS 전력 비용 계산 및 비교

지능형 냉각 기술

모듈형 데이터 센터는 별도의 열기 및 냉기 통로 장치를 사용하며 소형 통합 랙을 냉각시키고 냉각 에너지 손실을 줄이기 위해 냉각 장치를 직렬로 사용합니다. 개별 랙의 밀도는 20 킬로와트 이상 증가할 수 있습니다.

서버가 설치되지 않은 랙 위치에 블랭킹 플레이트(blanking plates)를 부착하면 차가운 공기의 95 %가 서버 랙의 냉기 통로를 통해 직접 전달됩니다. 모든 랙에서 방출되는 뜨거운 공기는 냉각 장치를 통해 재공급되므로 랙 전면으로 흘러나오지 않습니다. 모듈형 데이터 센터의 냉기 통로 또는 열기 통로용 밀폐 시스템은 활용도를 높이고 에너지 소비를 줄여줍니다.

그림 3. 2개의 “밀폐된 열기 통로 구조”를 가진 데이터센터에서 나타나는 공기 흐름 시뮬레이션
여기에서는 분명 뜨거운 공기와 찬 공기가 서로 섞이지 않습니다. 뜨거운 공기는 밀폐된 열기 통로에 그대로 남아 있습니다.

이런 “열 방식(in-row)”의 냉각법은 냉각 성능을 개선시킵니다. 차가운 공기가 직접 뜨거워진 지점으로 유도되는 원리입니다. 게다가 냉기 통로 구조는 찬공기와 뜨거운 공기가 혼합되는 것을 방지하고 열기 통로(그림 3 참조)가 형성되는 것을 방지하기 위해 서로 격리되어 있습니다. 모듈형 데이터센터의 냉각 성능은 기존 데이터센터에 비해 12% 더 우수합니다. 냉각수 방식의 냉각 시스템과 냉각 시스템이 필요 없는 시스템을 결합하면 PUE가 1.5 이하로 떨어집니다.

끝으로 모듈형 데이터센터는 지능형 관리 시스템을 채용해 전력 비용을 줄여줍니다. 예를 들어 빅데이터 분석을 이용해 전력 절감 계획을 수립한 후 이를 유동적으로 계속 활용할 수 있습니다.

랙의 높은 전력 밀도

데이터센터 IT 서비스의 핵심 구성요소인 랙은 랙 본체 구조, 지원 장치 구조, IT 장비의 설치 및 호환성, 열 관리(공기 입구, 공기 출구, 공기 흐름 관리), 배전(이중 전원 공급 장치, 랙 장착 식 분배 캐비닛), 케이블 관리(전원 및 데이터 케이블) 등의 요소로 구성됩니다.

이렇게 구성 요소를 표준화한 덕분에 모듈형 데이터 센터에서는 랙의 패킹 밀도를 높일 수 있습니다. 그 결과 에너지가 35 % 정도 절감되고 소규모 영역에서도 동일한 성능을 제공할 수 있습니다. 이제 수 년 내에 약 800m² 면적의 모듈형 데이터 센터와 랙당 20kW의 발열량으로 3,000m² 규모의 데이터센터와 동일한 성능을 구현할 수 있게 될 것입니다. 건설 비용을 기준으로 한 절감액은 70 만 ~ 200 만 유로(8억 4850만원~24억 2,430만원 정도)입니다.

델타 모듈형 데이터센터 솔루션의 이점

1. 모듈형 데이터센터는 오버헤드(overhead) 배선 시스템을 사용하므로 내부 케이블링 랙은 모듈형 랙의 상단에 연결됩니다. 높은 전압과 낮은 전압이 분리됩니다.

2. 전원 분배 캐비닛은 네트워크 캐비닛용 전원 공급 장치를 지원합니다.

3. 배터리/충전식 전력 팩을 배터리 부분에 설치할 수 있습니다.

4. 모듈형 데이터센터는 각 모듈에 지정된 컬러 터치 패널의 유무에 상관 없이 모니터링 됩니다. 정보 업로드는 터치 패널이 있으면 터치 패널을 통해, 없으면 DAM(Data Acquisition Mainframe)을 통해 실행됩니다.

5. 모듈형 데이터센터는 B등급과 C등급의 번개 보호 시스템을 갖추고 있습니다.

6. 터치 패널(옵션)은 전력 분배 캐비닛, 정밀 냉각 시스템, 랙의 환경, 누수, 온도, 습도, 연기 탐지, 도어 개폐 여부 등을 비롯한 많은 유용한 정보를 표시합니다.

7. UPS와 정밀 냉각 시스템은 모양, 크기 및 색깔로 구성되며 모든 캐비닛은 고도로 통합된 구조를 갖고 있습니다.

8. 모든 UPS, 정밀 냉각 시스템 및 모니터링 시스템은 델타가 자체 개발한 것입니다. 핵심 기술과 전문 지식은 델타 연구소와 개발센터에서 지원합니다.

9. 중소형 규모의 모듈형 데이터센터용 전원 공급 시스템, 전력 분배기 및 배터리는 단일 캐비닛((Modulon DPH 75kW 시리즈 UPS) 안에 통합되어 있기 때문에 주요 IT 장비를 위해 더 많은 공간을 확보할 수 있습니다.

하지만 랙당 컴퓨팅 전력이 늘어나면 특수 냉각 및 전력 공급 시스템을 갖춰야 합니다. 랙의 수냉식 냉각 및 모듈형 PDU(Power Distribution Units)와 통합은 물론 냉기/열기 통로 개념까지 통합해야 합니다. 이런 방식으로 설계하면 랙당 시스템의 전력 요구량을 1/3 정도 수준으로 낮출 수 있습니다.

모듈형 설계로 “종량제” 도입

새로운 모듈형 구조는 향후 발생할 수 있는 문제들을 유동적으로 대처할 수 있습니다. 예) 특정 애플리케이션을 클라우드에 아웃소싱하면 데이터센터의 전력 수요가 변경됩니다. 전력 소비량이 줄어들면 잠재적인 전력 절감률도 높아지므로 UPS 및 냉각 솔루션이 전력 요구사항에 맞춰 조절되어야 합니다..

모듈화 된 UPS 시스템의 경우 N + 1 리던던시 또는 이용 가능한 백업 시간에 영향을 주지 않고 필요에 따라 개별 전력 모듈을 사용하여 전력 용량을 증감할 수 있습니다. 냉각 솔루션이 "모듈형 설계"의 일부인 경우 확장 가능한 방식으로 적용할 수도 있습니다. 이런 방식은 필요한 만큼의 인프라를 구현할 수 있는 능력을 갖출 수 있을 뿐 아니라 전원, 냉각 및 관리와 같은 모든 영역에서 시스템을 유연하게 적응할 수 있는 옵션을 유지하는 이점을 갖고 있습니다.

* Astrid Hennevogl-Kaulhausen은 Delta Energy Systems의 UPS 독일 영업지사에서 MCIS(Mission Critical Infrastructure Solutions) 부문 총괄이사를 맡고 있습니다

** Ulrike Ostler은 독일에서 IT 및 데이터센터 부문을 전문으로 하는 출판 및 온라인 미디어 “DataCenter insider”의 편집장입니다