전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_26.06호 (p60~62)

온수로 냉각하는 후가쿠 NEXT, 전력 20% 절감
에너지 효율 지향에도 직류 800V 채택 보류할까?

제 4부 : 냉각∙절전 편

이화학연구소(理化学研究所)는 차세대 슈퍼컴퓨터 '후가쿠(富岳) NEXT'에서 CPU(중앙처리장치)와 GPU(화상처리반도체)가 탑재되는 서버의 냉각 기술을 업그레이드할 방침이다.

'후가쿠'에 사용한 냉수가 아닌, 30℃ 이상의 온수로 서버를 냉각. 이로 인해 냉동기(칠러)가 필요 없어져 냉각 전력을 후가쿠 대비 20% 줄일 수 있게 될 것이라고 한다. 이화학연구소는 온수 냉각 시스템을 통해 AI 시대에 요구되는 저에너지형 계산 기반을 구축하는 것을 노리고 있다.

"제한된 코스트로 계산 능력을 최대한 높이겠다." 후가쿠 NEXT의 냉각 시스템과 전원 설비 설계를 담당하는 이화학연구소 계산과학연구센터의 미우라(三浦) 리더는 개발 목표에 대해 이렇게 말한다. 연산 효율을 나타내는 애플리케이션 성능을 후가쿠의 최대 100배로 높이면서도 소비전력 증가는 약 30%로 억제하는 것을 목표로 하고 있다.

후가쿠 NEXT에서는 냉각용 칠러를 사용하지 않고 쿨링타워(냉각탑)에서 만들어지는 온수만을 사용해 서버를 냉각한다는 것이 가장 큰 특징이다.

현행 후가쿠에서는 칠러로 냉각수의 온도를 약 10℃로 낮춘다. 하지만 칠러는 냉매를 압축하는 컴프레서의 전력 소비가 크다. 이 칠러를 없앰으로써 냉각에 필요한 전력을 후가쿠와 비교해 약 20% 절감할 수 있을 것으로 전망된다. 칠러는 컴퓨터의 소비전력에 따라서 냉각 능력을 세밀하게 조정하기 어려워 컴퓨터에 부하를 주기 쉽다는 단점도 있다.

이화학연구소의 시산에 따르면, 후가쿠 NEXT가 설치되는 시설 전체의 전력 효율을 나타내는 PUE(Power Usage Effectiveness)는 후가쿠의 실측치인 약 1.35에 비해 크게 개선될 전망이다. PUE는 투입 전력을 얼마나 효율적으로 계산에 활용할 수 있는지에 대한 지표로, 값이 1에 가까울수록 좋다. 후가쿠 NEXT에서는 적어도 1.1 이하가 되는 설계를 통해 가능한 한 1.05 이하로 만드는 것을 목표로 하고 있다. "어디까지 목표로 할 수 있을지는 코스트와의 조율에 달렸다"(미우라 리더)라고 한다.

이화학연구소의 설계 지침이 상징하는 것은 전력당 높은 성능으로 승부한다는 일본의 전략이다. 후가쿠 NEXT의 최대 소비전력은 약 40메가와트(MW)로, 차세대 슈퍼컴퓨터로서는 낮은 편이다. 냉각에 사용되는 전력은 4M~5MW로, 냉각 설비 운용을 포함해 50MW 이하로 맞출 방침이다.

반면, 해외에서는 기가와트(GW)급 슈퍼컴퓨터 개발 프로젝트가 진행되고 있다. 오라클(Oracle)은 2025년 10월, AI 슈퍼컴퓨터 'OCI Zettascale10' 개발 계획을 발표. 복수의 데이터센터의 수십만 개 GPU를 상호 연결해 최대 16제타플롭스(ZFLOPS)의 연산 성능을 목표로 하고 있다.

이 외에도 후가쿠 NEXT에서는 정전 시 백업 전원으로 후가쿠에 도입한 가스 터빈 발전기를 사용하지 않는다. 그 대신 무정전 전원 장치(UPS)를 도입해 보수 설비의 간소화 및 저코스트화로 이어나갈 방침이다.

-- 'TSUBAME3.0'의 실적 활용 --
과연 슈퍼컴퓨터 정도의 높은 성능의 컴퓨터를 온수로 충분히 냉각시킬 수 있을까? 미우라 리더는 "도쿄공업대학(현 도쿄과학대학)의 슈퍼컴퓨터 'TSUBAME3.0'에서 실적이 있다"라고 말한다. 2017년에 가동된 TSUBAME3.0의 냉각 설계를 담당한 미우라 리더는 “온수에 의한 냉각 시스템을 실현한 노하우를 후가쿠 NEXT에도 활용할 계획이다”라고 말한다. 후가쿠 NEXT 개발에 참여하고 있는 이화학연구소의 마쓰오카(松岡) 계산과학연구센터장도 TSUBAME3.0 개발 멤버 중 한 명이다.

후가쿠 NEXT에서는 시스템에 투입되는 냉각수의 온도를 32℃로 설정. 쿨링타워(냉각탑)로부터 공급된 32℃의 물을 건물 내 열교환기(CDU)로 보내고, CDU로 분배되는 37℃의 온수로 서버를 냉각한다. 서버를 통과하며 47℃로 데워진 물은 열교환기를 거쳐 쿨링타워로 돌아가는 흐름이다.

32℃라는 설정 온도에는 의미가 있다. 후가쿠 NEXT의 설치 예정지인 고베(神戸)시의 기후에서 쿨링타워로 만들 수 있는 냉각수의 연중 최고 온도이다. 칠러를 사용하지 않는 냉각은 서버에서 되돌아온 냉각수를 물의 기화열로 냉각하기 때문에 냉각수의 온도는 외부 기온 및 습도에 좌우된다. 이화학연구소가 고베시의 과거 평균 기온이나 기후를 조사한 결과, 냉각이 어려워지는 한여름에도 쿨링타워로 32℃까지는 냉각할 수 있다는 것을 확인했다.

칠러를 사용하지 않는 냉각의 노하우 중 하나는 냉각수의 유량을 최대한 억제하는 것이다. 적은 유량으로 효율적으로 서버를 냉각할 수 있도록 서버로 들어가는 냉각수와 열교환기로 되돌아오는 냉각수의 온도 차이가 후가쿠보다 큰 10℃가 되도록 설계. 냉각수 유량을 억제할 수 있게 된다면 냉각수를 순환시키는 펌프로 인해 소비되는 전력을 줄일 수 있다.

-- 직류 800V 전원은 법 규제 및 부품에 과제 --
냉각 시스템과 마찬가지로 전력 효율에 크게 영향을 미치는 전원에 대해서도 현실적인 답을 선택할 방침이다. 이화학연구소는 후가쿠와 동일하게 교류 전원으로 하고, 전압값은 480V로 하는 방향으로 검토하고 있다.

AI 데이터센터에서는 최근 기존의 교류 전원에 비해 고효율인 직류 800V 전원 개발이 가속화되고 있다. 후가쿠 NEXT에서도 선택지 중 하나이지만, 채택을 보류할 공산이 커지고 있다.

직류 800V 전원에 대해 미우라 리더는 "일본에서는 법 규제나 부품 공급 측면에서 과제가 있다"라고 말한다. 직류 800V는 일본에서 전기설비기술기준의 고전압 구분에 해당되어 엄격한 기준을 충족하는 관리 체제와 전용 설비가 요구된다. 직류 800V에 대응하는 부품이나 부재 공급도 현 시점에서는 충분하지 않다.

후가쿠 NEXT는 2030년경 가동을 목표로 하고 있다. "부재 조달을 고려하면 전원의 사양은 2027년까지 결정할 필요가 있다"(미우라 리더)라는 점에서 직류 800V 전원을 둘러싼 상황에 큰 변화가 없는 한 채택이 어렵다.

-- 현행 후가쿠의 바로 옆에 설치 --
최근 들어 후가쿠 NEXT를 설치할 시설의 모습도 윤곽을 드러내고 있다. 이화학연구소는 올 2월 말, 시설의 요구수준문서를 공개하고 시공사 공모를 시작했다.

건설 장소는 현행 후가쿠가 가동 중인 이화학연구소 계산과학연구센터(R-CCS, 고베시)에 인접한 부지이다. 넓이 500m²의 룸 4개를 설치하고 이곳에 서버 등을 배치한다.

올 10월에는 시공 우선 협상 대상자가 결정된다. 건설 비용은 유지관리비를 포함해 180억 엔 규모로 예상하고 있다.

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후가쿠 NEXT
국산 슈퍼컴퓨터 재정의

제1부: 총론
‘세계 1위’에 대한 집념 버리고 AI 시대에 활용되는 컴퓨터로, 엔비디아와의 연대 통해 세계와의 거리 좁힌다

제2부: 아키텍처 편
후지쓰가 독자적 CPU로 노리는 소버린 AI, 라피더스를 아군 삼아 GPU와 공존

제3부: 메모리 편
소프트뱅크와 인텔의 신형 메모리, 칩을 세워 ‘자계 결합’으로 HBM을 뛰어넘는다

제4부: 냉각·전원 편
온수로 냉각하는 후가쿠 NEXT, 전력 20% 절감, 에너지 효율 지향에도 직류 800V채택 보류될까?

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