(A microscope image of tiny fin structures on the surface of the copper plates. Credit: Cell Reports Physical Science, Bazmi et al.)
2025년 데이터 센터의 예상 에너비 소비량은 485TWh에 달합니다. 그중 30%는 냉각에 사용되는데, 이는 스웨덴의 연간 전력 소비량보다 많은 양입니다.
냉각에 사용되는 에너지의 양을 줄이기 위해 새로운 냉각 기술 개발은 물론 기온이 낮은 지역이나 차가운 해수를 이용할 수 있는 바닷가에 데이터 센터를 짓는 등 여러 방법이 동원되고 있으나 여전히 데이터 센터 냉각에 많은 에너지와 비용이 투입되고 있습니다.
일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 과학자들은 3D 프린팅 구리판 냉각 기술을 통해 냉각에 들어가는 에너지를 최대 90% 이상 줄이는 신기술을 개발했습니다.
현재 AI 데이터 센터에서 사용되는 엔비디아의 GB200 칩 하나는 1,200와트의 전력을 소비하며, 하루에 28.8kWh의 전력을 소모합니다. 이는 미국 가정의 평균 일일 전력 소비량 (연간 총 소비량 기준)과 거의 맞먹는 수치입니다.
대형 데이터 센터들은 이런 GPU와 CPU 그리고 각종 장치에서 나오는 열을 식히기 위해 엄청난 에너지를 사용하는데, 이로 인해 비용과 에너지 증가는 물론 냉각팬 소음 같은 또 다른 환경 공해를 발생시킵니다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 냉각기의 구조부터 바꿔야 한다고 보고 연구를 진행했습니다. 현재 AI 데이터 센터에서 나오는 열을 해결하기 위해 수랭식 시스템이 도입되고 있지만 프로세서와 시스템에서 나오는 열을 물로 배출하는 시스템은 단순한 금속판이라 사실 열 배출 능력이 매우 낮은 편입니다.
연구팀은 위상 최적화와 다른 수학적 최적화 알고리즘을 통해 기존의 직사각형 또는 원통형이었던 미세한 내부 핀 구조를 훨씬 더 복잡하고 들쭉날쭉하며 뾰족한 형태로 재설계했습니다. (tkwls) 이러한 형태는 열 전달 및 열 성능을 극대화하는 동시에 냉각수를 플레이트를 통해 이동시키는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있습니다.
물론 이런 미세 구조는 기존 방식으로 제작하기 어려웠기 때문에 연구팀은 전기화학적 적층 제조 (ECAM, electrochemical additive manufacturing)라는 첨단 적층 제조 기술을 사용하여 구조물을 층층이 쌓아 올렸습니다. 이를 통해 기존 3D 프린팅 방식으로는 매우 정밀한 형태로 가공하기 어려운 순수 구리를 소재를 가공할 수 있었습니다. 이 기술을 이용하면 사람 머리카락 굵기보다 얇은 30-50 마이크로미터 두께의 구조도 만들 수 있습니다.
연구팀에 따르면 수랭 시스템에서 이 구리 냉각판이 액체 냉각에서 기존 냉각판보다 최대 32% 더 우수한 냉각 성능을 제공하는 동시에 압력 강하를 최대 68%까지 줄여 시스템에 냉각수를 공급하는 데 필요한 에너지를 크게 절감할 수 있다고 보고했습니다. 이러한 성과는 상당한 에너지 절약으로 이어집니다.
연구팀에 따르면 공랭식 시스템을 도입한 1GW 데이터 센터에서 일반적으로 냉각에 사용하는 에너지는 550MW입니다. 만약 이 기술을 적용해 수랭식 시스템을 도입하면 에너지 소비량은 11MW까지 줄어들 수 있다는 게 연구팀의 추정입니다. 다소 이해가 되지 않는 수준이긴 한데, 아무튼 적지 않은 에너지를 절약할 수 있다는 것이 주장의 핵심으로 보입니다.
실제로 그렇다면 앞으로 응용이 기대되는 기술입니다. 다만 내구성이나 제조 비용 등 여러 요소를 검증해야 할 것으로 보입니다. 앞으로 데이터 센터는 물론 소비자용 수랭 쿨러 등 여러 분야에서 응용될 가능성이 있어 보이는 기술입니다.
참고
https://newatlas.com/energy/cooling-copper-plates-data-center-energy-use/
https://www.eurekalert.org/news-releases/1126418
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