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혼합 냉각 아키텍처로 고밀도 데이터센터 구축
데이터센터 냉각 아키텍처①
2009년 01월 30일 00:00:00 데이터넷 kang@datanet.co.kr
룸(room) 단위의 냉각은 차세대 데이터센터에 맞지 않는 비효율적인 방식이다. 새롭게 출시되는 최신 IT 장비는 밀도가 높고 가변적이기 때문에 기존의 방식으로는 냉각 요구사항을 결코 충족할 수 없으며, 냉각 시스템의 비효율성, 예측 불가능성, 전력 밀도 저하 문제가 발생한다. 이러한 문제의 해결을 위해 열(row) 단위 및 랙 단위 냉각 아키텍처가 개발됐다. 룸 단위, 열 단위, 랙 단위 냉각 아키텍처를 비교 분석하고, 열 단위 냉각 방식이 차세대 데이터센터에 가장 적합한 솔루션으로 부상하는 이유를 살펴본다. <편집자>

천재홍
APC코리아 상무
jchun@apcc.com

연 재 순 서
1. 다양한 방식의 냉각 아키텍처(이번호)
2. 예측과 밀도 향상을 위한 냉각 아키텍처
3. 냉각 효율성 향상을 위한 다양한 추가 지원 요소


이터센터에서는 IT 장비가 뿜어내는 열로 인해 온도가 상승되기 쉽다. 데이터센터의 온도 상승은 IT 장비에 치명적인 영향을 미치게 되므로, 실내에서 발생하는 열은 반드시 제거해야 한다. 거의 모든 IT 장비는 자체적으로 냉각장치를 갖고 있다. 각각의 IT 장비는 주변 공기를 흡입해 불필요한 열을 배출하고, 공기에 실어 대기 중에 방출한다. 하나의 데이터센터에는 수천 개의 IT 장비가 있으므로, 수천 곳에서 불필요한 열이 생성돼 뜨거운 공기가 전산실 내부에서 순환하게 된다.

룸 단위 냉각방식 ‘한계’
데이터센터 냉각공조 시스템은 이와 같은 복잡한 열 흐름을 효율적으로 포착해 실외로 배출하는 역할을 한다. 전통적으로 데이터센터 실내온도 상승을 막기 위해 룸 단위 냉각방식을 사용해왔다. 이 방식에서는 하나 이상의 냉각 시스템이 동시에 병렬적으로 작동해 데이터센터에 찬 공기를 투입하면서 더운 공기를 뽑아낸다. 룸 단위 냉각방식은 에어컨이 냉각 용량만 제공하는 것이 아니라 대형 혼합기 역할도 수행해 실내 공기를 지속적으로 뒤섞어 평균 온도를 비슷하게 맞춰 일부 지점에 열점(hot spot)이 생기지 않도록 한다.

이 방식은 공기 혼합에 필요한 전력량이 데이터센터 전체의 전력 소비량 중에서 차지하는 비중이 적은 경우 효과적이다. 시뮬레이션 데이터와 경험적 연구에 따르면, 이 시스템은 데이터의 평균 전력 밀도가 랙당 약 1~2 kW, 즉 323~753W/ m2(30~70W/ft2)인 경우에 효과를 볼 수 있다.

최근 IT 장비의 최대 전력 밀도는 랙당 20kW를 넘어 공기 혼합에 의존하는 룸 단위 냉각 방식은 더 이상 제 기능을 발휘하지 못하는 것으로 나타나고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 열(row) 단위 냉각 또는 랙 단위 냉각이다. 이 방식은 냉각 시스템이 랙의 열 또는 개별 랙에 특수한 방식으로 통합되는데, 이러한 구성에서는 예측성과 밀도, 효율성의 향상을 비롯해 여러 가지 장점이 있다.

다양한 방식의 냉각 아키텍처 - 냉각 단위
데이터센터 냉각 시스템의 핵심 기능은 대량의 냉각 용량을 제공하는 것과 IT 장비에 공기를 배급하는 두 가지로 요약할 수 있다. 모든 방식은 대량의 냉각 용량을 공급하는 기능을 갖고 있다. 냉각 시스템의 kW 단위 대량 냉각 용량이 IT 장비의 총 전력 부하(kW)를 처리할 수 있는 수준이다.

냉각 아키텍처의 주된 차이점은 두 번째 핵심 기능인 부하 장비에 공기를 공급하는 방식이다. 전력의 경우 케이블을 통해 공급되므로 전력의 흐름을 명확하게 파악할 수 있으므로 전력의 분배는 상대적으로 쉬운 일이라고 할 수 있다. 그러나 공기 흐름은 설계를 통해 완벽하게 통제할 수 없고, 육안으로 확인할 수도 없으며, 설계 방식이 같아도 설치된 환경에 따라 크게 차이가 나기 마련이다. 이러한 공기 흐름을 통제하는 것이 냉각 시스템 설계의 주된 목표다.

<그림 1>은 냉각 방식의 세 가지 기본 아키텍처를 보여준다. 일렬로 배치된 사각형은 랙을 나타내며, 랙을 향해 있는화살표는 IT 랙의 부하 장비에 대한 냉각공조(CRAC) 장치의 관계를 나타낸다. CRAC의 실제 배치는 아키텍처에 따라 달라질 수 있다. 룸 단위 아키텍처의 경우, CRAC는 룸 전체를 단위로 관계하며, 열 단위 아키텍처에서는 열 또는 그룹을 단위로 관계하고, 랙 단위 구조에서는 개별 랙에 직접 관계한다.

룸 단위 아키텍처
룸 단위 아키텍처에서는 CRAC가 룸 전체를 대상으로 작동하며, 동시에 룸 내의 전체 열 부하 장비에 대해 작용한다. 룸 단위 아키텍처에서는 하나 이상의 에어컨이 덕트(duct), 댐퍼(damper), 벤트(vent) 등을 통해 아무런 통제 과정 없이 찬 공기를 공급한다. 급기(supply air)나 배기(return air)를 이중마루 시스템 또는 오버헤드 리턴 플레넘(overhead return plenum)으로 부분적으로 통제하는 경우도 있다.

데이터센터의 설계 방식에 따라 공기 흐름에 대한 관심도는 크게 달라진다. 룸 내 여유공간이 적은 경우, 공기 흐름에 대한 특정한 통제 계획 없이 다수의 랙을 비계획적으로 배치하기도 한다. 규모가 더 크고 복잡한 곳에는 공기 흐름의 방향을 유도하고 조정해 핫 아일(Hot Aisle)/콜드 아일(Cold Aisle) 배치 공간에 공기를 분배하도록 이중마루 시스템을 이용할 수 있다.

룸 단위 설계는 천장의 높이, 룸의 형태, 마루 위와 아래의 장애물, 랙 배치, CRAC 위치, IT 장비 사이의 전력 분배 등 각 룸(room)의 고유한 제약 조건에 큰 영향을 받는다. 따라서 전력 밀도가 높아질수록 성능 예측성과 성능의 균일성이 매우 낮다. 이 때문에 특정 시설의 설계 성능을 파악하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics)라는 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 필요로 하게 되는 경우도 있다. 나아가 IT 장비의 이동, 증설, 교체 등과 같은 변화가 있으면 기존 설계가 무용지물이 돼 새롭게 냉각시스템을 분석하고 테스트해야 한다. 특히 CRAC 이중화를 보증하려면 확인이 어려운 복잡한 분석을 실시해야 한다.

룸 단위 아키텍처의 또 다른 단점은 CRAC의 정격 최대 용량을 활용할 수 없는 경우가 많다는 것이다. 이런 상황은 CRAC에서 나온 공기의 상당량이 IT 장비를 거치지 않고 곧바로 CRAC로 다시 돌아오는 경우에 발생하는데, 원인은 룸의 설계가 적절하지 못할 때 발생하는 현상이다. 냉각 공기의 우회로 인해 CRAC의 공기 흐름이 장비의 냉각에 도움을 주지 못하고, 결국 전체 냉각 용량의 감소로 이어진다. 따라서 기존 CRAC의 냉각 용량(kW)이 충분히 활용되지 못하고 있는데도 CRAC의 냉각 용량 증설이 필요해지는 모순된 상황이 발생할 수 있다.

열 단위 아키텍처
열 단위 아키텍처에서는 CRAC가 열과 관계되며 하나의 열을 전담하도록 설계된다. CRAC는 랙 사이 또는 천장이나 이중마루 아래에 설치할 수 있다. 룸 단위 아키텍처와 비교하면 공기가 흐르는 통로가 더 짧고 더 정확하게 파악된다. 또한 공기 흐름을 더욱 쉽게 예측할 수 있고 CRAC의 정격 용량을 전부 활용할 수 있으며 전력 밀도를 더 높일 수 있다.

열 단위 아키텍처는 냉각 성능 외에도 여러 가지 부수적 장점을 갖는다. 공기 흐름이 짧아져 CRAC 팬에 필요한 전력량이 줄고 효율성이 향상된다. 장비가 그리 많지 않은 여러 데이터센터에서 CRAC 팬 구동에 사용되는 전력이 전체 IT 장비에 사용되는 전력량을 초과한다는 점을 감안하면 이것은 결코 사소한 효과가 아니다.

열 단위 설계에서는 특정 열의 실제 요구량에 맞게 냉각 용량과 이중화를 구현할 수 있다. 예를 들어 열 단위 아키텍처에서는 전력 밀도에 따라 열 별로 관리할 수 있다. 예를 들어, 블레이드 서버와 같은 고밀도 장비를 특정 열에 구축해 집중관리하고, 다른 열에서는 통신 인클로저와 같이 전력 밀도가 낮은 장비를 운영할 수 있다. 또한 특정 열에 맞게 N+1 또는 2N 이중화 장비를 배치할 수 있다.

열 단위 아키텍처는 이중마루가 없는 곳에도 구현할 수 있다. 이 경우 바닥의 하중 강도(floor load bearing capacity)가 높아지고 설치비용을 줄일 수 있다. 액세스 램프(access ramp)가 필요 없고, 이중마루를 설치할 만큼 천장이 높지 않은 건물에도 데이터센터를 설치할 수 있다. 또한 열 단위 아키텍처는 1m 이상 이중마루가 필요할 만큼 전력 밀도가 높은 시설에 특히 효과적이다. <그림 2>와 <그림 3>은 열 단위 냉각의 각각 다른 방법을 보여준다.

열 단위 아키텍처는 배치 형태가 단순하고 미리 결정할 수 있으므로, 제조업체가 냉각 효과를 완벽하게 예측해 기술할 수 있으며 룸의 형태 또는 기타 제약 조건의 영향을 비교적 덜 받게 된다. 따라서 특히 밀도가 랙당 5kW를 넘는 경우 설계 규격과 실제 구현이 모두 단순해진다. 열 단위 아키텍처에서는 룸 단위 아키텍처보다 CRAC 장치가 더 많이 필요할 것처럼 보이지만 반드시 그러한 것은 아니며, 전력 밀도가 높은 경우 효율적이다.

랙 단위 아키텍처
랙 단위 아키텍처에서는 CRAC가 랙과 관계되며 하나의 랙을 전담하도록 설계된다. CRAC는 랙에 직접 장착하게 된다. 랙 단위 방식에서는 룸 단위 또는 열 단위 아키텍처에 비해 공기 흐름이 짧고 더 정확히 파악되므로 설치 환경의 차이 또는 실내의 제약 조건에 전혀 영향을 받지 않는다. CRAC의 정격 용량을 모두 활용할 수 있음은 물론 전력 밀도도 가장 높다(랙당 50kW). <그림 4>는 랙 단위 냉각 방식을 보여주고 있다.

열 단위 냉각 방식과 마찬가지로 랙 단위 아키텍처는 극히 높은 전력 밀도에 대응할 수 있다는 점 외에도 또 다른 독보적인 특성을 갖고 있다. 공기 흐름이 짧아져 CRAC 팬에 필요한 전력량이 줄고 효율성이 더욱 향상된다. 장비가 많지 않은 여러 데이터센터에서 CRAC 팬 구동에 사용되는 전력이 전체 IT 장비에 사용되는 전력량을 초과한다는 점을 감안하면 이것은 결코 사소한 효과가 아니다.

랙 단위 설계에서는 특정 랙의 실제 요구량에 맞게 냉각 용량과 이중화를 구현할 수 있다. 예를 들어 블레이드 서버와 통신 인클로저 등 전력 밀도가 각기 다른 경우에 맞춰 각각의 열을 구성할 수 있다. 또한 특정 랙에 맞게 N+1 또는 2N 이중화 장비를 배치할 수 있다. 반면 열 단위 구조에서는 열 단위로만 이러한 배치가 가능하며 룸 단위 아키텍처에서는 룸 단위로만 가능하다.

랙 단위 아키텍처는 배치 형태를 완전히 미리 결정할 수 있어 제조업체가 냉각 효과를 완벽하게 예측해 기술할 수 있으며 룸(room)의 형태 또는 기타 제약 조건의 영향을 전혀 받지 않는다. 따라서 전력 밀도 규격을 간단히 지정할 수 있고, 지정된 밀도를 구현하기 위한 설계도 간단해진다. 그러나 이 방식은 전력 밀도가 낮은 경우 다른 방식에 비해 냉각 장치 및 관련 파이프 배선이 많이 필요하다는 문제가 있다.

혼합 아키텍처
룸 단위, 열 단위, 랙 단위 아키텍처는 각각 장단점을 갖고 있으므로 서로의 단점을 보완할 수 있도록 혼용해 설치할 수 있다. 실제로 데이터센터에서는 혼합 아키텍처가 유리한 경우가 많다. 특히 전력 밀도가 다양한 데이터센터의 경우 <그림 5>와 같이 세 가지 유형을 모두 혼합해 적용하는 것이 유리할 수 있다.

▣ 룸 단위: 실내 전체에 차가운 공기를 공급한다. 여러 혼합 장비 중 주로 통신 장비, 저밀도 서버, 스토리지 등과 같이 전력 밀도가 낮은 구역을 담당한다. 냉각 대상: 랙당 1~3 kW, 323~861 W/m2(30~80 W/ft2)
▣ 열 단위: 블레이드 서버 또는 1U 서버가 있는 고밀도 또는 초고밀도 구역에 대한 쿨링 역할을 한다.
▣ 랙 단위: 따로 떨어져 있는 고밀도 랙 또는 초고밀도 랙에 대한 쿨링 역할을 한다.

열 및 랙 단위 아키텍처는 기존 저밀도 룸 단위 아키텍처 설계 안에서 전력 밀도를 업그레이드하는 경우에 효과적이다. 이 경우에는 기존 데이터센터의 소규모 랙 그룹에 열 또는 랙 단위 냉각 시스템을 장착한다. 열 또는 랙 단위 냉각 장비는 새로운 고밀도 랙을 열전달 측면에서 효과적으로 분리시켜 기존 룸 단위 냉각 시스템에 부담을 주지 않게 만든다. 따라서 기존의 룸 단위 냉각 시스템을 변경하지 않고도 기존 저밀도 데이터센터에 고밀도 장비를 추가할 수 있다. 이를 실제로 구축하면, 위의 <그림 5>와 같은 혼합 아키텍처로 나타난다.

하이브리드
지금까지 설명한 세 가지 아키텍처의 특징들을 함께 가지고 있지만, 그 어느 범주에 속하지도 않는 특징을 아울러 갖고 있는 냉각 기술이 있다. 덕트식 배기 송풍 시스템은 랙에서 배출된 더운 공기를 룸 단위 냉각 시스템으로 직접 전달한다. 이 시스템은 랙 단위 냉각 시스템의 장점을 일부 갖고 있으며, 이미 설치되거나 계획된 룸 단위 냉각 시스템에 추가로 적용할 수 있다. <그림 6>은 이러한 냉각 방식을 보여준다.
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