일본산업뉴스요약

액침 서버, 보급의 장벽 넘을까
NTT 데이터 등 실증실험

서버 전체를 절연성의 냉각액에 넣어 식히는 ‘액침 냉각’ 방식의 실용화를 찾는 기업이 증가하기 시작했다. 공냉이나 수냉보다 냉각 효율이 높아 데이터센터용 차세대 냉각 기술 후보로 꼽힌다. 서버 업체뿐만 아니라 데이터센터 운영 사업자나 설비 업체도 실증을 시작했다.

액침 냉각은 2010년대에 서버 업체들이 제품화를 시도했지만, 현시점에서는 널리 보급되지 않았다. 유지보수성이나 도입 비용 등의 장벽이 가로막고 있다. 다만, 요즘은 AI(인공지능) 서버를 필두로 데이터센터의 소비전력 증대가 전망되면서, ‘포스트 수냉’의 냉각 수단으로서 액침에 기대하는 소리가 크다.

-- 지바현 '이상(Two-phase)식' 실증실험 --
지바현 노다시에 액침 서버의 실증 시설이 있다. NTT 데이터가 2024년 11월에 개설한 ‘Data Center Trial Field’다. 데이터센터의 냉각설비를 재현한 실험장이다. 엔지니어링 회사인 히비야종합설비와 냉수공급기기 등을 개발하는 구와나금속공업(미에현 구와나시)과 공동으로 개설했다.

데이터센터에서 주류인 공냉과 수냉 서버와 비교하면, 액침 서버는 아직 실증 도중에 있는 냉각 기술이다. 액침 냉각 장치를 제조하는 업체마다 기술 사양이 다른 부분도 많아, 본격적으로 도입을 검토하는 유저에게는 장애물이다. 그래서 NTT 데이터의 시설은 관련 기업이 액침 서버의 도입부터 운용까지 공동으로 검증할 수 있도록 했다. 이를 통해 과제를 찾아내고 해결책을 검토하는 작업을 쉽게 추진할 수 있도록 한다.

이 시설이 보유하는 설비의 주력은 ‘이상(Two-phase)식’이라 부르는 액침 서버다. GPU(그래픽처리장치)나 CPU(중앙처리장치)의 발열에 의해 냉각액이 비등하고, 기체로 변할 때의 기화열로 냉각하기 때문에 높은 냉각효율을 기대할 수 있다. 불소계 냉각액을 사용한다.

액침 서버에는 냉각액을 액체인 채로 순환시키는 단상(Single-phase)식도 있다. NTT 데이터 TC사업본부 테크놀로지컨설팅사업부의 구로타키(黒瀧) 과장은 “냉각액에는 절연성 기름(오일)을 사용하므로 안정 운용에 적합하다고 한다. 단상식은 냉각액을 순환시키는 펌프가 필요하다. 냉각 효율 면에서는 이상식이 유리하다.

-- 기화와 액화를 반복하다 --
이상식의 액침 서버를 구성할 때, 이 시설에서는 액냉 시스템을 개발하는 미국 LiquidStack의 액침 장치를 본체 용기에 채택했다. 스테인리스강 등의 소재로 만들어진 탱크 안에서, 개조된 서버가 끓는점 약 50℃의 냉각액에 잠긴다. 서버에 부하를 걸면 CPU 주변 등에서 기화에 수반하는 거품이 생기기 때문에 냉각 기능이 작용하고 있는 것을 눈으로 보고 알 수 있다.

일반적으로 CPU의 상단에는 ‘히트 스프레더’라 불리는 금속판이 부착되어 있다. 하지만 이 시설에서는 그 부품을 제거하고, 반도체 칩 위에 구리로 된 ‘보일러 플레이트’를 장착했다. “보일러 플레이트 표면에는 미세한 요철(凹凸)이 있어, 작은 기포가 잘 발생하도록 설계되어 있다.”(NTT데이터의 구로타키 씨). 이는 기포가 쉽게 떨어지도록 하여, 냉각 성능을 향상시키기 위한 설계상의 아이디어이다.

탱크의 상부에는 열교환기에 해당하는 '냉각코일'을 설치했다. 냉각코일은 데이터센터 측의 냉각탑과 접속하고 있어, 기화된 냉각액이 닿으면 다시 액체로 돌아간다. 이상식 액침 서버에서는 이처럼 기화와 액화를 반복하는 냉각 사이클이 작용함으로써 고효율로 서버를 냉각하는 구조로 되어 있다.

-- 냉각 전력을 90% 감소 --
최신 AI 서버는 랙 당 소비전력이 100kW를 넘기 때문에 공냉으로는 식히지 못하고 수냉이 필수다. 그 전력은 앞으로도 계속 증가할 것으로 보인다. 액침 냉각에는 냉각 팬을 줄여 소음을 줄이거나, 분진이나 습도에 의한 영향을 억제할 수 있다는 이점도 있지만, 최대 매력은 수냉을 웃도는 높은 냉각 효율이다.

KDDI는 2023년 3월, 액침 서버를 사용해 기존의 데이터센터와 비교해 서버 냉각에 필요한 소비전력을 94% 삭감한 실증 성과를 공표했다. 미쓰비시중공업과 NEC 넷츠에스아이(NEC Networks & System Integration Corporation, 도쿄)와 공동으로 실증해, 데이터센터의 전력 효율을 나타내는 지표(PUE: Power Usage Effectiveness)에서 1.05를 얻었다.

PUE는 1에 가까울수록 효율이 좋다. 기업에 따라서 주장에 약간의 차이는 있지만, 공냉 데이터센터의 평균 PUE는 1.6, 수냉 데이터센터는 1.2 정도라고 볼 수 있다. 이러한 숫자와 비교하면, 액침 냉각의 높은 냉각효율이 두드러진다. 요즈음 데이터센터는 서버의 소비전력 증대뿐만 아니라 전기요금의 상승이라는 과제에도 직면해 있다. 액침 냉각은 이 측면에서도 기대가 크다.

-- 유지보수 및 제품 보증에 과제 --
좋은 점만 있는 것처럼 보이는 액침 냉각이지만, 순조롭게 보급되고 있다고는 말할 수 없다. 액침 냉각은 최근에 대응을 시작한 것이 아니다. 2010년대에는 미국의 델 테크놀로지(Dell Technologies)나 후지쓰 등의 서버 업체가 상용화를 위해 움직였다. 하지만 현재 양사의 라인업에 액침 대응을 정면에 내세운 제품은 눈에 띄지 않는다.

“암호화폐의 마이닝이나 연구개발, 해외의 일부 사례 등을 제외하고 대규모로 도입된 사례는 없는 것 같다”(어느 한 서버 업체 담당자). 오랫동안 실증실험 단계에 머무르고 있어, 장기적으로 액침 냉각이 보급될지 어떨지 업계 내에서도 의견은 정해지지 않았다.

액침 냉각의 과제는 우선은 유지보수의 어려움에 있다. 액침에서는 서버를 냉각액에 담그기 때문에 공냉 서버와 비교해 보수에 상당한 수고가 든다. 예를 들면, 메모리 등 부품을 교체하는 경우다. 크레인이나 인력으로 서버를 빼낸 다음, 서버 기판에서 냉각액을 제거하고, 메모리를 빼내어 꽂을 필요가 있다. 단자 부분에 냉각액이 남아 있으면 접촉 불량이 생길 수도 있다.

시판 서버를 개조한 결과로서, 서버 업체의 보증을 받을 수 없게 되는 것도 난점이다. 액침 서버를 구축하려면 서버로부터 공냉 팬이나 히트 싱크를 분리해 전용 용기에 담는다. 서버 업체로부터 만일의 보증이나 보수를 받을 수 없게 되면, 계속 운용해야 하는 데이터센터에 설치하는 허들은 올라간다.

암호화폐 마이닝 등에서 실용적인 사례가 있는 이유는, 높은 유지보수성이나 서버 업체의 유지보수가 없었더라도 운용에 지장을 초래하기 어려운 용도이기 때문이다. 마이닝의 경우, 고장이 났을 때는 수리보다 머신 자체를 교체해 버리는 편이 손쉽다. 현시점에서 액침 냉각에 적합한 것은 그런 용도가 중심이 된다.

서버 업체가 처음부터 액침 냉각을 전제로 한 서버 제품을 출시하면 과제는 해결될지도 모른다. 다만, 현재로서는 액침 서버의 수요는 작고, 대형 서버 업체들이 주력하고 있는 상황이 아니다.

액침 냉각의 보급에서 관건은 서버의 대규모 고객인 하이퍼스케일러(대규모 클라우드 업자)의 동향일 것이다. “하이퍼스케일러가 액침 냉각을 사용한다고 결정하면 어느 정도의 수량을 전망할 수 있기 때문에 서버 업체도 보증을 붙여 팔기 쉬워질지도 모른다”(NTT 데이터의 구로타키씨).

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