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슈퍼컴퓨터를 액체로 냉각한다고?
슈퍼컴퓨터라고 들어보셨나요? 슈퍼컴퓨터는 여러 개의 컴퓨터가 하나로 동작하면서 연산을 처리하는 컴퓨터인데요, 초고속으로 방대한 양의 데이터를 처리할 때 사용됩니다. 우리나라에서도 기상청 등에서도 활용 중에 있습니다. 기상 패턴을 예측하는 기상 연구자에게는 예측 작업에 필요한 데이터 처리량이 엄청나게 방대하여 초고속으로 명령을 처리하지 않으면 결과를 얻을 수 가 없기 때문에 슈퍼컴퓨터는 필수입니다.
1920년대부터 슈퍼컴퓨터에 관한 아이디어가 등장했는데요, 1964년에서야 공식적으로 최초의 슈퍼컴퓨터인 CDC 6600이 등장했습니다. 배선의 길이만도 100 마일(약 160km)이 넘고, 40만개의 트랜지스터를 장착한 CDC6600은 당시 그 어떤 컴퓨터보다도 10배 이상 빠른 속도를 자랑했는데요, 초당 부동소수점 연산의 횟수를 의미하는 플롭스(FLOPS) 단위로 이야기하면 300만 플롭스를 돌파했죠. 그 이후로도 슈퍼컴퓨터는 꾸준히 발전했습니다.
슈퍼컴퓨터는 기하급수적으로 빨라진다
현재 세계에서 가장 강력한 10대 슈퍼컴퓨터는 중국, 스위스, 미국, 일본에 있습니다. 이 슈퍼컴퓨터들의 부동소수점 연산의 횟수는 1,000조(Peta급) 번으로, CDC 6600보다 수십억 배 빠르게 정보를 처리합니다.
현재 평균적인 노트북은 초당 10억 번 연산이 가능한 한데요, 이와 비교하면 슈퍼컴퓨터는 약 100만배나 빠르게 작동합니다.
더 빠른 슈퍼컴퓨터를 위해서는
그런데 슈퍼컴퓨터를 초고속으로 동작하도록 하려면, 시스템의 발열이 문제가 됩니다. 슈퍼컴퓨터는 웬만한 소도시 하나만큼의 전력을 소비할 수 있습니다. 연구에 따르면 미국 내 데이터센터는 미국 전체 에너지 소비량의 2%를 소비합니다. 사용되는 에너지의 대부분은 컴퓨터 하드웨어를 식히기 위한 냉각장치와 팬을 구동하기 위한 것이죠. 즉, 효율적인 냉각 시스템 없이는 데이터센터에 위치한 막강한 성능의 슈퍼컴퓨터는 제대로 작동하지 못합니다.
일반적인 업계 솔루션 중 하나는 공기로 서버를 냉각하는 것인데요, 이 방식의 단점은 서버 전체에 걸쳐 공기를 흐르게 하여 냉각시키는 것이라 에너지 소모가 큽니다. 대기 오염이 심한 장소에서는 서버에 부식을 일으킬 위험도 있습니다.
현재 추세로 보면, 데이터의 양과 인터넷에 접속하는 사람들의 수는 줄어들지 않습니다. 계속 증가하고 있으며, 데이터센터의 에너지 사용량을 유지하고 줄이기 위해 뭔가 특별한 솔루션이 필요한 것이 현재의 상황입니다. 그래서 슈퍼컴퓨터 냉각에 보다 효율적인 솔루션을 찾기 위해 많은 연구가 이루어지고 있습니다.
혁신적인 서버 냉각 방식
3M 과학자들은 액침 냉각(Liquid Immersion Cooling, 링크)이라는 독특한 방법으로 서버 장비를 냉각하는 솔루션을 개발했습니다.
액침 냉각에서 액체는 공랭식 대비 몇 분의 일 에너지만을 사용하여 수동적인 냉각을 합니다. 따라서 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 결과적으로 가장 효율적인 액침 냉각 방식은 냉각기와 공조 장치가 필요 없기 때문에 데이터센터의 에너지 효율을 최대 95%까지 향상시킬 수 있습니다.
액침 냉각의 작동 원리는 무엇일까요? 액침 냉각은 전자 제품을 비전도성 액체에 직접 담가 열기를 액체로 바로 전달하는 것인데요, 3M 과학자들은 단상(單相) 및 이상(二相) 액침 냉각 기술을 모두 활용합니다.
단상 액침 냉각 방식에서 액체는 높은 비등점을 가지기 때문에 냉각 과정 동안 액체 상태를 유지합니다. 전자 부품은 비전도성 액체를 채운 욕조에 담급니다. 부품의 열기가 액체로 전달되고 온도가 높아진 액체는 열교환기로 이송되고 냉각된 다음 다시 욕조로 순환됩니다.
또 수동적 이상 액침 냉각(P2PIC) 방식도 있는데요, 3M 과학자들은 부품 랙을 3M 노벡 엔지니어드 플루이드(Novec Engineered Fluid)로 가득한 용기에 직접 담궈 냉각하는 방식입니다.
3M에서 P2PIC 기술의 응용 작업을 담당하는 필 튜마(Phil Tuma)는 작동 원리를 이렇게 설명합니다. "Novec Engineered Fluid는 칩이나 다른 열원과의 직접 접촉하면서 냉각을 합니다. 열로 인해 액체는 끓게 되고 증기로 상태가 변화합니다. 이 증기는 응축기 코일로 이동한 다음 다시 액체로 상태를 변화하여 욕조로 떨어집니다. 증기를 이동하는 에너지는 필요치 않으며, 응축기를 위한 냉각 장치도 필요 업죠. 드라이 쿨러가 공급하는 설비수로 응축기를 냉각해도 충분합니다."
Novec Engineered Fluid는 열 전력사용효율지수(PUE)을 1.02 미만으로 유지하면서 냉각을 합니다. 이 수치는 IT 장비가 사용하는 전력의 2% 미만으로도 냉각할 수 있다는 의미로 미국 정부 표준 PUE 1.5 미만보다 훨씬 낮습니다. 또 Novec Engineered Fluid는 오존 파괴 위험이 전혀 없으며 비전도성, 불연성이며, 액체의 화학적 구성 또한 독성이 적고 지구 온난화 위험이 낮습니다.
액침 냉각용 액체는 효율성이 좋아 부품을 보다 촘촘히 배치할 수 있어 필요한 바닥 공간을 줄이며, 제곱미터 당 100킬로와트 이상의 컴퓨팅 성능을 제공할 수 있습니다. 일반적인 공랭식 시스템의 경우는 제곱미터 당 10kW수준이죠. 즉, 10%의 바닥 공간으로 동일한 컴퓨팅 성능을 기대할 수 있다는 의미입니다.
비트코인 산업은 첨단 냉각 기술이 필수
"비트코인 채굴은 비용에 매우 민감합니다. 사업의 이익은 하드웨어 비용, 하드웨어 전개 및 운영 비용으로 결정되죠. 따라서 하드웨어 냉각에 필요한 에너지 양을 결정하는 에너지 효율은 매우 중요합니다." 필 튜마의 설명입니다.
대형 비트코인 블록체인 인프라 제공 및 거래처리 업체인 비트퓨리(BitFury) 그룹은 동유럽 조지아에 데이터센터를 구축하면서 세계에서 가장 강력한 이상(二相) 냉침 냉각 프로젝트를 추진하면서 솔루션을 모색했습니다. 이 데이터센터는 40메가와트의 전력을 소비하는데요, 이는 4만 가구에서 사용하는 평균 전력에 해당합니다.
비트퓨리는 3M의 Novec Engineering Fluid를 사용하는 2PIC(이상 냉침 냉각) 전문 업체인 홍콩의 엔지니어링 회사 얼라이드 콘트롤(Allied Control)을 인수했습니다. 얼라이드 콘트롤의 카-윙 라우(Kar-Wing Lau) CEO는 자사의 시스템이 기존 공랭식 시스템에 필요한 전력의 10% 미만을 사용한다고 이야기합니다.
"이 기술로 랙 당 250 kW의 전력을 사용하고, 아직은 그 한도에 도달하지 않았기 때문에 얼라이드 콘트롤은 앞으로도 빠르게 성장할 수 있으며, 여러 하드웨어 세대에 걸쳐 냉각 시스템 비용을 분산할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다." 카-윙 라우(Kar-Wing Lau) CEO의 설명입니다.
이와 같은 성과는 앞으로도 더욱 빨라질 차세대 슈퍼컴퓨터의 등장에 도움이 될 수 있습니다. 냉침 냉각 기술은 초당 100경 번의 부동소수점 연산이 가능한 엑사급(Exascale, 1018 FLOPS) 시스템으로 진화하는 고성능 컴퓨터에 꼭 필요할 것입니다.
