데이터센터 냉각 방식의 진화

그렇다면 이 모든 전력에는 무슨 일이 일어날까? IT 하드웨어가 소비하는 전기의 100%는 열로 변환된다. 하지만 서버는 열을 좋아하지 않는다. 그러므로 우리에게는 강력한 (그리고 효율적인) 데이터센터 냉각 수단이 필요하다 기존의 냉각 방식에는 역시나 전력이 필요하다. 이러한 냉각용 전력은 데이터센터의 총 전력 수요의 50% 이상을 차지할 수 있다.

이것은 기본적으로 우리의 데이터센터를 거대한 전기 히터로 만들어버린다. 그리고 우리는 여전히 더 많은 데이터센터를 구축해야 하는 상황이다. 그리고 이러한 상황은 기업과 국가가 지속가능성을 추구하는 것을 더 어렵게 만든다. 다행히도 기존의 데이터센터 냉각 방법에 대한 더욱 효율적인 대안이 존재한다. 데이터센터의 냉각 시스템이 얼마나 효율적인지 판단하기 위해 사용되는 지표는 Power Usage Effectiveness 또는 PUE라는 용어로 알려진 전력사용효율이다. PUE 값은 낮으면 낮을수록 더 좋다. PUE는 데이터센터가 사용한 총 전력과 IT 하드웨어에 제공된 에너지의 비이다. PUE의 표준 값은 2.0이며, 1.4는 훌륭한 값이며 1.0은 우리가 달성할 수 있는 최고의 PUE 등급으로 간주된다.

구식 냉각: 이중마루 냉각 방식

대략 지난 반세기 동안 대부분의 데이터 센터는 이중마루(raised floor)로부터 나오는 압축 공기로 냉각되었다. CRAC (Computer Room Air Conditioner) 또는 CRAH (Computer Room Air Handler)는 정속 팬(constant speed fan)을 통하여 이동하는 공기를 냉각시킨다. 이러한 유형의 시스템은 데이터센터의 계산 밀도가 낮고 효율성을 최우선적으로 고려할 필요가 없는 경우에 잘 작동한다. 하지만 시간이 지남에 따라 이 시스템의 단점은 점점 분명해졌다. 이 예를 들면 이 시스템에서 PUE가 2.0이 넘는 경우는 흔하다.

이러한 종류의 냉각을 사용할 때 심각한 문제점은 랙의 하단으로부터 상단까지 온도 차이가 발생한다는 것이다. 이러한 현상은 계층화(stratification)라는 용어로 알려졌다. 바닥에 가까운 서버는 가장 차가운 공기를 공급받지만, 랙 상단의 서버는 대개 주입구의 온도가 훨씬 높은 편이다. 공기 흐름을 증가시켜 이러한 문제점을 해소하려는 경우, 서버 랙을 향하여 흘러 들어가는 차가운 공기가 되돌아오는 뜨거운 공기와 혼합되어 효율성이 감소된다는 문제가 있다. 따라서 열복도/냉복도 구성과 같은 격리 전략이 개발되었다. 하지만 이러한 배치 방식 또한 서버의 뒷면으로부터 앞쪽으로 뜨거운 공기가 불어나오면서 공기의 재순환을 감소되기 때문에 장비의 온도가 위험한 수준까지 높아질 수도 있다.

현대적인 정밀 냉각 솔루션

정속 팬으로 이중마루에 공기 흐름을 제공하던 시절부터 지금까지 냉각 기술은 크기 발전하였다. 데이터센터의 밀도가 증가하면서 이러한 기술적 발전은 필수적이 되었다. 차가운 공기와 뜨거운 공기를 서로 차단하는 설계를 통하여 계층화(stratification)와 우회(bypass)에 의한 냉각 한계를 크게 극복할 수 있었다. In-row 방식의 냉각장치를 사용하면 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 방식에서는 데이터센터 운영자는 각 열(row)에 통합된 냉각 장치에 설치된 변속 팬을 통해 온도와 에너지 소비량을 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 이 변속 팬이 소비하는 에너지는 정속 팬을 사용하는 시스템의 에너지 소비량에 비해 훨씬 낮은 수준이다.

최근 주목받는 이코노마이저의 사용

수십 년 동안 많은 데이터센터가 구축된 후에도 데이터센터 냉각 시스템의 미래가 이처럼 다양하고 불확실할 것이라고 상상하기는 어려운 일이다. 냉각 장치의 기반이 되는 물리학에는 변함이 없다. 하지만 냉각에 대한 접근방식은 여전히 매우 다양하다. 그 이유는 전 세계 각 지역의 기후의 차이를 통해 어느 정도 설명할 수 있다. 데이터센터의 냉각 시에 에너지를 절약하는 가장 유망한 전략은 프리 쿨링(free colling) 또는 이코노마이징(economizing)이라는 방식이다. 이 방식에서는 냉각탑의 열을 식히거나 냉각장치에서 열을 제거하는데 외부 공기를 사용한다. 물론 이 방법은 데이터센터 외부 공기의 온도에 따라 효과가 달라지며, 이 외기 온도는 필요한 냉각을 제공하기에 충분할 정도로 낮아야 한다. 따라서 이 방식에는 더 차가운 기후가 유리하다.

전기는 데이터센터가 소비하는 유일한 자원이 아니다

냉각탑을 사용하여 데이터센터를 냉각시키는 몇몇 방법들은 매우 많은 양의 물을 소비한다. 하지만 많은 데이터센터는 세계의 건조한 지역에 위치한다. 데이터센터가 이러한 지역에 위치하지 않더라도 물은 우리가 항시 보존해야 하는 귀중한 천연 자원이다. 따라서 오늘날의 세계는 (적어도 겉으로 보기에는) 건식 냉각 시스템에 더 유리한 환경이다. 하지만 좀 더 전체적인 시각에서 상황을 바라본다면 우리는 화석 연료 발전소의 발전 단계 중 증기 단계(steam phase)에서도 물을 소비한 다는 것을 알 수 있다. 다시 말해 건식 냉각 시스템이 요구하는 추가 전력을 생산하기 위해서는 물이 필요하기 때문에, 결과적으로 현장에 설치된 냉각 타워의 물 소비량에 비하여 건식 냉각 시스템의 전체 물 소비량이 더 많아진다.

낮은 PUE를 자랑하는 프레시 에어 쿨링 방식

유일하게 확실한 사실은 우리에게 새로운 방식이 필요하다는 것이다. 그리고 우리는 여러가지 새로운 방식들을 활용할 수 있다! 신선한 외부 공기를 사용하여 데이터센터를 냉각하는 프레시 에어 쿨링은 가장 유망한 냉각 방식 중 하나이지만 문제점도 있다. 신선한 외부 공기를 사용하면 PUE를 1.0에 가깝도록 만드는 것이 가능하며, 이것은 이미 야후가 “chicken coop (닭장형)” 디자인을 통해 입증한 바 있다. 하지만 데이터센터 내부로 신선한 공기를 끌어들이는 것에는 몇 가지 어려움이 있다. 우선 IT 장비의 주입구 온도를 안전한 수준으로 낮추기에 충분할 정도로 외부의 기온이 낮아야 한다. 그렇지 않다면 보조 냉각 시스템이 필요하다. 그리고 습도와 먼지 또한 해결하기 어려운 문제점이다.

데이터센터 내부의 습도가 너무 낮으면 정전 방전(ESD)이 증가할 위험이 증가한다. 하지만 최근 연구에 따르면 IT 장비에 대한 이러한 ESD의 위험성은 그다지 크지 않다. 특히 서버가 랙에 설치된 경우에는 손상 위험이 낮은 수준이다. 그리고 기술자들이 데이터센터 장비에 대한 작업을 실시하는 도중에는 항상 손목에 접지 스트랩을 착용하는 것이 좋다.

반면에 과도한 습도의 위험은 더 클 수도 있다. 공기의 습도가 더 높아지면, 공기는 더 많은 먼지 입자를 모으며, 이것은 IT 장비에 축적될 수도 있다. 분진 입자가 축적되면서 그것은 부품들을 감싸고 냉각을 더 어렵게 만든다. 또한 다습한 공기를 통해 회로에 아연 입자가 증착될 수도 있으며, 이것은 종종 단락을 일으킨다. 그러므로 공기의 습도가 너무 높은 경우에는 제습이 필요하며, 이로 인해 결국 전력이 더 많이 소비되고 낮은 PUE의 장점이 상쇄된다.

프레시 에어 쿨링 방식과 관련된 또다른 중요한 문제는 먼지와 연기이다. 프레시 에어 쿨링을 사용하는 경우, 공기 중에 포함된 입자에 따라서는 값비싼 필터가 필요할 수 있다. 그리고 충분한 여과 능력을 보유한 경우에도 프레시 에어 쿨링 방식으로 인해 유입된 공기 중 오염물질이 현대적인 데이터센터에 설치되어 있는 극히 민감한 소방 시스템을 작동시킬 위험도 있다.

침수 냉각

전력망의 변압기는 공랭식 냉각이 제공할 수 있는 것보다 더 높은 냉각 성능을 요구한다. 이것은 회로를 절연 유체(대개 미네랄 오일)에 담그는 방식을 통해 가능하다. 오일은 열은 전도하지만 전기는 전도하지 않으므로, 부품이 손상되지 않는다. 침수 냉각법은 서버에도 사용할 수 있다. 이 방법을 사용하면 공기에 의한 냉각보다 더 효율적으로 전자부품의 열을 제거할 수 있다. 냉각 장치의 공급업체들은 이제 데이터센터를 위한 침수 냉각 솔루션을 공급하고 있다.

어떻게 하면 충분한 수준까지 장비를 냉각시킬 수 있을까?

IT 장비에는 미국냉동공조공학회(American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers, 이하 ASHRAE)가 규정한 등급 기준에 따라 등급이 부여된다. 이 등급 기준(A1 ~ A4)은 ASHRAE가 데이터센터 하드웨어에 대하여 최적의 온도와 습도를 알아내기 위해 개발한 가이드라인의 일부이다. 허용 온도의 범위가 가장 적은 등급은 A1이다.

하지만 많은 IT 하드웨어 제조사들은 현재 A2-등급 장비 또는 A3 등급 장비를 생산하고 있으며, 이 장비들 덕분에 데이터센터에게 냉각 시스템의 선택의 폭이 더 넓어진다. 그러므로 데이터센터 운영자는 단순히 A1 ~ A4 등급에 대한 ASHRAE의 표준 권고사항을 따르는 것이 아니라 자신의 장비에 진정으로 필요한 냉각 조건을 세심하게 조사하는 것이 현명하다. 물론 장비가 작동될 때의 온도가 더 높을수록 신뢰성은 떨어진다. 하지만 우리는 하드웨어 고장에 따른 비용을 계산할 수 있다. 온도 상승에 따른 고장 위험성의 증가를 예측할 수 있다면, 이러한 위험에 따른 예상 비용과 냉각 성능을 떨어뜨려서 절약되는 비용 사이의 비율을 계산할 수도 있다. 그리고 어쨌든 많은 회사들은 적어도 3년이 지나면 IT 장비를 교체할 것이다. 이러한 경우에는 높은 온도로 인한 부정적 영향이 그리 크지 않을 수도 있다.

실험을 통해 효율성이 향상된다

가장 효율적인 냉각 설계에서는 몇 가지 방식의 프리 쿨링 또는 프레시 에어 쿨링을 사용한다. 대개 실외의 기후 조건(덥고 습한 여름날)이 데이터센터의 요구조건을 충족시키기에 충분한 수준의 냉각을 제공할 수 없는 상태일 경우에 보조 냉각 장치로서 CRAC가 필요하다. 하지만 이 모든 선구적 냉각 설계에서 우리가 확인할 수 있는 핵심적인 특징 중 하나는 언제나 건물의 구조가 중요한 역할을 한다는 것이다. 우선 건축을 계획하고, 가능한 한 많은 IT 장비를 화이트 스페이스(whitespace)에 집어넣은 후, 냉각에 대해서는 나중에 생각하는 방식은 이제 구시대의 유물이다. 앞으로 건설될 새로운 데이터센터 컨셉트는 처음부터 냉각을 염두에 두고 설계되어야 할 것이다.

예를 들어 한 네덜란드 회사는 쿄토 디스크(Kyoto disc)라고 알려진 회전하는 거대한 알루미늄 디스크(원반)을 사용하여 건물로부터 열을 제거하는 시스템을 구현하였다. 이 디스크의 절반은 건물 안에 위치하며 나머지 절반은 건물 밖에 위치한다. 디스크는 회전을 하면서 내부의 열을 흡수한 다음, 축적된 열을 외부 공기로 전달하고 다시 원위치로 돌아온다. 하지만 디스크 자체의 크기가 상당히 크기 때문에, 디스크가 회전하기에 충분하도록 실외 및 실내에 많은 공간을 확보할 필요가 있다.

또 다른 옵션은 단순히 폐열을 주위 환경에 버리는 것이 아니라 이 열을 활용하는 것이다. 이미 지역 난방 및 냉방 시스템과 데이터센터를 통합하는 프로젝트가 수행된 바 있다. 그리고 이러한 방식을 통하여 데이터센터에서 나온 폐열을 활용하여 가정에 난방을 제공하고 있다. 이것은 여러 가지 냉각 방식 중에서 가장 지속가능성이 뛰어난 사례이다. 그리고 데이터센터에 연결된 지역 냉방 시스템은 데이터센터를 매우 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 이처럼 뛰어난 냉각 효율을 달성함으로써 경쟁 우위를 점하는 것은 매우 매력적인 목표이다. 하지만 이러한 목표를 달성하는데 가장 좋은 방법이 무엇인지 알아내는 것은 여전히 어려운 과제이다.