하드웨어 냉각기술

냉각기술에 대하여

서버와 전자 장치의 냉각 기술은 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다.

인공지능(AI)과 생성형 AI 기술의 급속한 발전은 빅데이터 처리와 고성능 컴퓨팅의 요구를 증가시키고 있습니다. 또한 클라우드 서비스의 확대로 데이터 센터의 필요성이 증대되고 있습니다. 이는 엔비디아와 같은 기업의 주가 상승을 통해 명확히 확인할 수 있으며, 이러한 기술의 발전은 데이터 센터의 확장에 필수 기술인 냉각 시스템의 혁신을 요구하고 있습니다.

냉각기술의 역사

전자 장치와 서버의 발열을 관리하고 효율적으로 냉각하기 위한 기술은 시간이 지남에 따라 상당히 발전해 왔습니다. 여기서는 이러한 기술의 역사를 크게 몇 가지 단계로 나누어 알아보겠습니다.

초기 냉각 기술: 자연 대류 및 단순 팬 사용

자연 대류 냉각: 초기 전자 장치는 발열이 그리 크지 않았기 때문에, 주변 공기에 의한 자연 대류만으로도 충분히 냉각될 수 있었습니다. 이 방식은 추가적인 냉각 장치가 필요 없는 간단하고 경제적인 해결책이었습니다.
기계식 팬 사용: 장치의 발열량이 증가함에 따라, 자연 대류만으로는 부족해져 기계식 팬이 도입되었습니다. 팬은 장치 주변의 공기 순환을 증가시켜 냉각 효과를 향상시켰습니다.

발전된 냉각 기술: 히트싱크와 액체 냉각

히트싱크 도입: 전자 장치의 성능이 향상됨에 따라 발열량도 급격히 증가했습니다. 이에 대응하기 위해 히트싱크가 널리 사용되기 시작했습니다. 히트싱크는 열을 효과적으로 분산시키는 금속 조각으로, 열을 빠르게 흡수하고 대기 중으로 방출하는 역할을 합니다.
액체 냉각 시스템: 더 높은 냉각 효율을 필요로 하는 고성능 컴퓨팅 시스템에서는 액체 냉각 기술이 도입되었습니다. 액체 냉각은 히트싱크와 비교해 훨씬 더 많은 열을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 초기에는 주로 물 냉각 시스템이 사용되었으나, 나중에는 전자 장치에 안전한 다양한 비전도성 냉각 액체가 개발되었습니다.

최신 냉각 기술: 액침냉각과 페이즈 체인지 냉각

액침냉각(liquid immersion cooling): 액침냉각은 전자 장치나 서버를 비전도성 액체에 직접 담가 냉각하는 방식입니다. 이 기술은 특히 데이터 센터와 고성능 컴퓨팅 환경에서 주목받고 있으며, 전력 소비를 크게 줄이고, 냉각 효율을 극대화할 수 있습니다.
페이즈 체인지 냉각: 이 기술은 액체가 가스로 변화하는 과정(증발)에서 발생하는 열 흡수 효과를 이용합니다. 페이즈 체인지 냉각은 매우 높은 냉각 성능을 제공하며, 주로 CPU 냉각이나 고성능 전자 장치에서 사용됩니다.

미래의 냉각 기술: 지능형 냉각 시스템과 나노 기술

지능형 냉각 시스템: 냉각 기술의 미래는 AI와 머신러닝을 활용하여 실시간으로 온도를 모니터링하고, 필요에 따라 냉각 성능을 조절하는 지능형 시스템으로 나아가고 있습니다.
나노 기술을 이용한 냉각: 나노 기술을 활용한 냉각 솔루션도 연구되고 있습니다. 이는 열 전달 효율을 극대화하고, 냉각 장치의 크기를 최소화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

전자 장치와 서버의 냉각 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 더 효율적이고, 경제적이며, 환경 친화적인 방향으로 나아가고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 전자 장치의 성능 향상, 에너지 소비 최소화를 가능하게 할 수 있습니다.

액침냉각

액침냉각(liquid immersion cooling) 기술은 전자 장치나 컴퓨터 서버의 발열 문제를 해결하기 위해 사용되는 냉각 방식입니다. 이 기술은 발열하는 장치를 전도율이 낮은 액체에 직접 담가서 열을 효과적으로 분산시키고 냉각시키는 방법을 말합니다. 전통적인 공랭식(air cooling) 냉각 방식이나 물 냉각(water cooling) 방식에 비해 다양한 장점이 있습니다.

액침냉각 기술의 주요 장점은 다음과 같습니다:

효율적인 냉각 성능: 액체는 공기보다 열을 더 잘 전달하고 분산시킬 수 있기 때문에, 액침냉각은 더 효율적으로 열을 제거할 수 있습니다. 이로 인해 장치의 온도를 더 낮게 유지할 수 있어 성능을 향상시키고, 수명을 연장시킵니다.
에너지 절감: 액침냉각 기술은 전통적인 공랭식 냉각 시스템에 비해 상대적으로 적은 에너지를 소비합니다. 냉각 팬이나 기타 공기 냉각 장치에 비해 에너지 효율이 더 높습니다.
소음 감소: 액침냉각 시스템은 팬이나 기타 기계적 장치 없이도 작동할 수 있어 소음이 적습니다. 이는 작업 환경을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
공간 절약: 액침냉각은 공간 효율성이 높은 냉각 방식입니다. 복잡한 공랭식 냉각 시스템에 비해 더 적은 공간을 차지하며, 서버 랙 등의 밀집도를 높일 수 있습니다.

액침냉각 기술은 주로 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅(HPC), 그리고 GPU 집약적인 작업을 수행하는 서버 등에서 사용됩니다. 최근에는 비트코인 채굴과 같은 고에너지 소비 활동에도 이 기술이 점점 더 많이 적용되고 있습니다.

마이크로소프트의 나틱프로젝트

마이크로소프트의 ‘나틱 프로젝트'(Project Natick)는 수중 데이터 센터의 실현 가능성을 탐구하는 실험적 연구 개발 프로젝트입니다. 이 프로젝트는 환경 지속 가능성을 높이고 냉각 비용을 절감할 수 있는 방법으로, 해저 데이터 센터 프로토타입의 설계, 건설 및 배치에 초점을 맞추고 있습니다. 프로젝트의 목적은 외부 환경으로부터 격리된 해저 환경을 활용하여 자연 냉각 효과를 이용하고, 재생 가능 에너지 소스를 통해 데이터 센터를 구동하는 것입니다.

나틱 프로젝트는 크게 두 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계에서는 캘리포니아 해안에서 첫 프로토타입을 배치하여 기초적인 실현 가능성을 검증했습니다. 두 번째 단계에서는 영국 오크니 제도 인근 해저에 크기와 컴퓨팅 파워가 증가한 데이터 센터를 배치하여, 장기간에 걸친 운영 가능성과 환경적 영향을 평가했습니다. 이 데이터 센터는 전적으로 재생 가능 에너지로 구동되었으며, 운영 기간 동안 서버의 신뢰성과 환경 지속 가능성 측면에서 긍정적인 결과를 보였습니다.

나틱 프로젝트의 중요한 발견 중 하나는 해저 데이터 센터가 육상 데이터 센터에 비해 훨씬 높은 신뢰성을 보인다는 것입니다. 프로젝트 팀은 이를 질소 대기(산소보다 부식성이 낮은)와 인적 간섭이 없는 환경이 주요 원인으로 보고 있으며, 이러한 발견은 육상 데이터 센터의 설계와 운영에도 시사점을 줄 수 있습니다.

나틱 데이터 센터는 또한 완전히 재활용 가능한 재료로 만들어졌으며, 사용이 끝난 후에는 재활용됩니다. 이는 마이크로소프트가 추구하는 지속 가능한 데이터 센터 운영 전략의 일환으로, 데이터 센터의 전체 생애주기 동안 환경에 미치는 영향을 최소화하는 것을 목표로 합니다.

나틱 프로젝트는 데이터 센터 기술의 혁신적인 발전을 이끌고 있으며, 특히 AI 및 생성형 AI 기술의 발달로 인해 데이터 처리 요구가 증가함에 따라, 서버 및 전자 장치의 효과적인 냉각이 더욱 중요해지고 있음을 보여줍니다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 데이터 센터의 미래 설계와 운영 방식에 근본적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.

Issue: 액침냉각에 사용되는 액체의 종류와 그 특성은 무엇인가요?

Clue: 액침냉각 시스템에서 사용되는 액체는 대체로 전기를 전도하지 않는 특성을 가진 비전도성 액체입니다. 이러한 액체는 전자 장치에 직접 접촉해도 전기적 문제를 일으키지 않습니다. 가장 일반적으로 사용되는 액체는 다음과 같습니다:

미네랄 오일: 가장 널리 사용되는 냉각 액체 중 하나로, 좋은 열 전달 성능을 제공하며 비용도 상대적으로 저렴합니다. 그러나, 미네랄 오일은 유지 관리가 필요하고, 장비와의 호환성 문제를 일으킬 수 있습니다.
합성 액체: 3M Novec와 같은 합성 냉각 액체는 미네랄 오일보다 더 높은 냉각 효율과 낮은 유독성을 제공합니다. 비용은 더 높지만, 더 안전하고 유지 관리가 쉬운 편입니다.
물과 혼합 액체: 특정 시스템에서는 물과 다른 비전도성 액체를 혼합하여 사용하기도 합니다. 이 경우, 물의 뛰어난 열 전달 성능을 활용하면서 전기적 안전성도 보장할 수 있습니다.

각각의 액체는 특정한 장단점을 가지고 있으며, 시스템의 요구 사항과 예산, 환경적 고려 사항에 따라 적합한 액체를 선택해야 합니다.

Isseu: 액침냉각 시스템 설계시 고려해야 할 주요 요소는 무엇인가요?

Clue: 액침냉각 시스템 설계 시 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다:

액체의 선택: 앞서 언급한 바와 같이, 액체의 종류에 따라 성능, 비용, 유지 관리 요구 사항이 달라집니다. 시스템의 목적과 환경에 적합한 액체를 선택해야 합니다.
열 관리: 액체가 장치에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수하고 분산시킬 수 있도록, 적절한 순환 시스템과 열교환기 설계가 필요합니다.
시스템 봉합: 전자 장치를 액체에 담그기 때문에, 누수 방지와 액체의 증발을 최소화하기 위한 철저한 봉합이 중요합니다.
유지 관리 및 접근성: 액침냉각 시스템은 정기적인 유지 관리가 필요할 수 있으므로, 유지 관리 용이성과 장비의 접근성을 고려해야 합니다.
비용: 초기 설치 비용과 운영 비용을 포함한 전체 비용 효율성을 평가해야 합니다.

Issue: 액침냉각 기술의 환경적 영향과 지속 가능성에 대한 평가는 어떻게 이루어지고 있나요?

Clue: 액침냉각 기술의 환경적 영향과 지속 가능성 평가는 다음과 같은 요소를 중심으로 이루어집니다:

에너지 효율성: 액침냉각은 전통적인 냉각 방식에 비해 에너지 효율이 높다는 장점이 있습니다. 이는 장기적으로 전력 소비를 줄여 탄소 발자국을 감소시키는 데 기여할 수 있습니다.
액체의 환경 영향: 사용되는 냉각 액체가 환경에 미치는 영향을 평가합니다. 비독성, 생분해성 액체의 선택이 환경적 지속 가능성을 높일 수 있습니다.
자원의 재사용 및 재활용: 액침냉각 시스템에서 사용된 액체와 관련 장비의 재사용 및 재활용 가능성을 고려합니다. 장기적인 자원 순환성과 지속 가능성을 위해 재사용 및 재활용 전략을 마련하는 것이 중요합니다.

액침냉각 기술의 환경적 영향과 지속 가능성에 대한 평가는 지속적으로 발전하고 있으며, 기술의 발전과 함께 더욱 효과적인 접근 방식이 모색되고 있습니다.

최신 냉각 나노기술

최근 나노기술 냉각 분야에서는 혁신적인 재료와 디자인 접근법을 통해 냉각 효율을 향상시키는 중요한 발전이 이루어지고 있습니다. 특히, 수동 방사 냉각 및 탁월한 열 관리 특성을 가진 재료 개발과 같은 분야에서 진전이 있었습니다.

한 가지 흥미로운 개발 사례로는 낮 동안 직사광선 하에서 주변 온도보다 낮은 온도를 달성할 수 있는 나노처리된 실크를 이용한 수동 방사 냉각 기술이 있습니다. 이 기술은 나노스케일 처리를 통해 향상된 실크의 고유한 특성을 활용하여 냉각 응용 분야에서 자연 재료와 나노기술의 결합 가능성을 보여줍니다.

나노기술 분야의 추가 탐구는 용량성 에너지 저장 응용 분야를 위해 설계된 고분자 나노복합체 유전체의 창조로 이어졌습니다. 이 재료들은 쌍극자 활성, 내부하 저항성 및 열 내성의 세 가지 중요 영역에서 우수한 성능을 발휘하도록 공학적으로 개발되었습니다. 이러한 발전은 에너지 저장 분야에만 기여하는 것이 아니라, 나노스케일 재료의 독특한 특성을 활용하여 성능과 효율성을 향상시키는 새로운 열 관리 및 냉각 솔루션을 제시합니다.

이러한 사례들은 나노기술 냉각 응용 분야에서 진행 중인 연구의 일부에 불과합니다. 지속적인 탐구와 개발을 통해, 나노기술은 다양한 분야에서 냉각 시스템을 혁신할 준비가 되어 있으며, 기술과 환경의 발전하는 요구에 보다 효율적이고, 지속 가능하며, 적응 가능한 솔루션을 제공할 것입니다.

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00987-0 / https://www.nature.com/nnano/articles?type=review-article 참고

서버와 전자장비에 필요한 냉각기술에 대해 알아보았습니다. 기본적으로 쿨링 기술은 모든 전자장비에 필수적인 기술입니다. 또한 이런 전자장치의 집합체인 데이터 센터는 필수적으로 냉각 시스템에 엄청난 에너지를 필요로 합니다. 따라서 일부 국가에서는 바닷속에 데이터센터를 건설하여 냉각 효율을 증대시키는 등의 시도도 하고 있습니다.

국내에서도 데이터 센터의 확장이 증가하고 있지만, 에너지 문제 뿐만 아니라 전자파 문제등을 걱정하는 기존 주민들과의 갈등도 심해지고 있는 상황입니다. 따라서 수요 증대에 따른 건설 위치 지정과 에너지 문제화 효율성 확보, 그리고 주민들과의 갈등 등을 해결 할 수 있는 다양한 접근이 필요합니다.