침지 냉각 기술: 데이터 센터 열 관리의 미래

랙 전력 소비가 전례 없는 수준으로 치솟으면서 데이터 센터 산업은 엄청난 변화를 겪고 있습니다. 컴퓨팅 집약적 인공 지능(AI) 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 애플리케이션에 의해 주도되는 데이터 센터는 10~20킬로와트를 소모하는 랙에 대한 공랭 전략을 사용하는 것에서 NVIDIA의 Grace Blackwell 슈퍼칩으로 구동되는 120킬로와트 랙을 처리할 수 있는 냉각 시스템이 필요한 것으로 빠르게 전환되었습니다. 이는 단일 서버 캐비닛의 냉각 요구 사항을 충족하기 위한 것입니다!

기존의 공기 냉각 기술은 더 이상 이러한 높은 방열 수요를 해결하기에 충분하지 않아 고급 액체 냉각 솔루션 개발의 길을 열었습니다. 현재 주류 액체 냉각 옵션은 주로 두 가지 범주로 나뉩니다."칩에 직접 연결"그리고"담금"냉각. 기존의 공기 냉각 방식과 달리, 이 기술은 물이나 절연 유체와 같은 액체 매체를 사용하여 장비에서 열을 발산합니다.

이 기사에서는 다음을 살펴봅니다.침지 냉각 기술작동 원리, 장점, 과제 및 고전력 환경에서의 잠재적 응용 분야를 분석합니다.

침지 냉각 기술: 완전 침지 구성 요소

침지 냉각 기술은 서버와 기타 전자 부품을 절연 액체에 완전히 담급니다. 장비가 작동 중에 열을 생성함에 따라 이 열은 주변 냉각 매체로 전달됩니다. 가열된 액체는 표면으로 올라가 냉각 시스템으로 전달되어 열을 발산한 다음 장비를 수용하는 초기 액체 저장소로 돌아갑니다.

침지 냉각에는 두 가지 유형이 있습니다.

1. 단상 침지 냉각

이 시스템은 모든 서버와 IT 장비를 절연 액체에 완전히 담급니다. CPU나 GPU와 같은 구성 요소의 온도가 상승하면, 액체가 생성된 열을 흡수합니다. 그런 다음 가열된 액체는 열 교환 장치로 펌핑되어 냉각되고, 냉각된 액체는 장비의 액체 저장소로 돌아갑니다.

장점:

●완전한 열 흡수:서버(GPU, CPU, 메모리 모듈 등)에서 발생하는 모든 열은 냉각 시스템에 의해 수집되어 방출됩니다.

●절연 액체:구성 요소가 단락으로부터 보호되도록 합니다.

과제:

●열 설계 전력(TDP) 제한 사항:GPU의 TDP가 700와트를 초과하면 단상 냉각으로는 효과적인 냉각을 제공하기 어려울 수 있습니다.

●인프라 투자:데이터 센터 인프라를 재설계하려면 대규모의 무거운 액체 저장소를 포함하여 상당한 투자가 필요합니다. 이는 대규모 리노베이션과 구조적 보강을 수용할 수 있는 새로운 데이터 센터나 기존 시설에 더 적합하게 만듭니다.

●절연 액체와의 호환성:모든 구성 요소(서버, 커넥터, 인쇄 회로 기판 등)는 손상을 방지하기 위해 절연 액체와 호환되어야 합니다. 이를 위해서는 종종 맞춤형 장비나 서버 수정이 필요합니다.

●기계적 재설계:광섬유 커넥터와 같은 일부 서버 구성 요소는 침지 환경에서 제대로 작동하지 않으므로 기계적 수정이 필요합니다.

●화재위험:침지 냉각에 사용되는 유체는 종종 탄화수소 기반이며, 가연성이며 데이터 센터에서 화재가 발생할 경우 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.

●유지관리의 어려움:모든 유지 보수 작업에는 크레인을 이용해 서버를 액체 저장고에서 제거해야 하며, 수리를 시작하기 전에 액체가 배출될 때까지 30분 동안 기다려야 합니다.

●오염 문제:냉각 유체가 오염되면(예: 물) 저장조를 비우고 청소해야 하며, 이로 인해 최대 하루 동안 가동이 중단될 수 있습니다.

2. 2상 침지 냉각

단상 침지와 유사하게 이 시스템은 서버와 IT 장비를 절연 액체에 담급니다. 그러나 구성 요소가 가열되면 유체가 끓기 시작하여 증기를 생성합니다. 이 증기는 냉각수 파이프 네트워크가 설치된 액체 저장소의 상단으로 올라갑니다. 증기는 냉각 파이프와 접촉하면 응축되어 다시 액체로 바뀌고 저장소로 다시 떨어집니다. 한편, 냉각 파이프의 가열된 물은 장비에서 열을 멀리 옮겨 데이터 센터 밖으로 나갑니다.

장점:

●완전한 열 흡수:단상 침지 방식과 마찬가지로 이 시스템은 서버(GPU, CPU, 메모리 모듈 등)에서 발생하는 모든 열을 완전히 흡수하여 효율적인 냉각을 제공합니다.

●높은 TDP 지원:2상 침지 냉각은 단상 시스템에 비해 훨씬 더 높은 열 부하를 처리할 수 있습니다.

●절연 액체:단락을 방지하여 장비의 안전한 작동을 보장합니다.

과제:

●절연 액체와의 호환성:단상 침지와 마찬가지로 모든 구성 요소는 손상을 방지하기 위해 절연 액체와 호환되어야 하므로 특수 장비 또는 서버 수정이 필요합니다.

●캐비테이션 손상:2상 시스템에서 끓는 과정은 캐비테이션을 일으킬 수 있으며, 이는 IT 부품, 인쇄 회로 기판 및 납땜 접합부를 손상시킬 수 있습니다.

●인프라 투자:단상 시스템과 마찬가지로 2상 침지 냉각도 추가 중량을 수용하기 위한 대형 저수조와 강화된 건물 구조 등 인프라에 대한 막대한 투자가 필요합니다.

●유지관리 과제:저수조와 침지 장치의 무게로 인해 유지 보수 작업에는 일반적으로 크레인이 필요하며, 이로 인해 가동 중지 시간이 길어집니다.

●환경적 영향 :유지 관리를 위해 액체 저장고를 열 때마다 퍼플루오로알킬 물질(PFAS) 증기가 대기 중으로 방출됩니다. 이로 인해 냉각 유체가 연간 약 10% 손실(수백 리터)되어 환경 문제가 발생합니다.

결론: 데이터 센터 냉각의 미래

매우 높은 열 부하를 효율적으로 처리할 수 있는 침지 냉각 기술은 현대 데이터 센터, 특히 AI, HPC 및 기타 집약적 애플리케이션을 지원하도록 설계된 데이터 센터의 핵심 솔루션이 빠르게 부상하고 있습니다. 이러한 시스템은 열 관리 및 에너지 효율성 측면에서 명확한 이점이 있지만, 상당한 인프라 요구 사항, 환경 영향 가능성 및 유지 관리 과제를 신중하게 고려해야 합니다.

고성능 컴퓨팅에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 침지 냉각 시스템은 데이터 센터가 증가하는 전력 소비와 방열 요구 사항을 관리하면서 효과적으로 확장할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

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