고밀도 데이터센터의 냉각 효율을 높여주는 열(Row) 및 랙 단위 냉각 아키텍처
데이터센터의 IT 장비에 공급되는 전력으로 인해 불필요한 열이 발생하게 되는데, 과열 상태를 방지하기 위해서는 반드시 이를 제거해야 한다. 데이터센터 하나에는 수천 개의 IT 장비가 있을 수 있으므로 결국 수천 곳에서 불필요한 열을 생성하고 이러한 뜨거운 공기들은 전산실 내부에서 순환하게 된다. 따라서 데이터센터 냉각공조 시스템의 역할은 이와 같은 복잡한 열 흐름을 효율적으로 포착하여 실외로 배출하는 데 있다.
룸 단위의 냉각은 데이터센터 냉각에 오랫동안 사용된 방식이다. 이 방식에서는 하나 이상의 냉각 시스템이 동시 병렬적으로 작동하여 데이터센터에 찬 공기를 투입하면서 더운 공기를 뽑아낸다. 그러나 이 방식은 공기 혼합에 필요한 전력량이 데이터센터 전체의 전력 소비량 중에서 차지하는 비중이 적은 경우에만 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 경우에만 효과적이다. 하지만 유감스럽게도 최근 IT 장비의 최대 전력 밀도는 랙당 20kW를 넘고 있으며, 이러한 경우에 공기 혼합에 의존하는 룸 단위 냉각 방식은 더 이상 제 기능을 발휘하지 못하는 것으로 나타나고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 열(row) 단위 냉각 또는 랙 단위 냉각에 초점을 맞춘 새로운 냉각 설계 방식이 부상하고 있다. 이 방식에서는 냉각 시스템이 랙의 열(row) 또는 개별 랙에 특수한 방식으로 통합되는데, 이러한 구성에서는 예측성과 밀도, 효율성의 향상을 비롯해 여러 가지 장점이 있다.
<그림 1>은 이들 세 가지 기본 아키텍처를 보여주고 있다. 그림에서 검은색 사각형들은 일렬로 배치된 랙을 나타내며, 파란색 화살표는 냉각공조장치(Computer Room Air Conditioner, CRAC)를 나타낸다. CRAC의 실제 배치는 아키텍처에 따라 달라질 수 있다. 룸 단위 아키텍처의 경우, CRAC은 룸 전체를, 열 단위 아키텍처에서는 열 또는 그룹을 단위로 담당하며, 랙 단위 구조에서는 개별 랙을 직접 담당한다.
◇룸 단위 아키텍처=룸 단위 아키텍처에서는 하나 이상의 에어컨이 찬 공기를 덕트(duct), 댐퍼(damper), 벤트(vent) 등을 통해 아무런 통제 과정 없이 공급한다. 룸 단위 설계는 천장의 높이, 룸의 형태, 마루 위와 아래의 장애물, 랙 배치, CRAC 위치, IT 장비 사이의 전력 분배 등 각각의 룸(room)의 고유한 제약 조건에 큰 영향을 받는다. 따라서 특히 전력 밀도가 높아질수록 성능 예측성과 성능의 균일성이 매우 낮다. 더욱이 IT 장비의 이동, 증설, 교체 등과 같은 변화가 있으면 기존 설계가 무용지물이 되므로 추가적인 분석과 테스트가 필수적이다.
◇열 단위 아키텍처=열 단위 아키텍처에서는 CRAC을 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. 또한 열의 실제 요구량에 맞게 냉각 용량과 이중화를 구현할 수 있다. 예를 들어, 열 단위 아키텍처에서는 전력 밀도에 따라 열 별로 관리 가능하다. 예를 들어, 블레이드 서버와 같은 고밀도 장비를 특정 열에 구축해 집중관리하고 다른 열에서는 통신 인클로저와 같이 전력 밀도가 낮은 장비를 운영할 수 있다.
열 단위 아키텍처는 이중마루가 없는 곳에도 구현할 수 있다. 이 경우 바닥의 하중 강도(floor load bearing capacity)가 높아지고 설치 비용을 줄일 수 있으며 액세스 램프(access ramp)가 필요 없고, 이중마루를 설치할 만큼 천장이 높지 않은 건물에도 데이터센터를 설치할 수 있게 된다.
◇랙 단위 아키텍처=랙 단위 아키텍처에서는 CRAC를 랙에 직접 장착해 하나의 랙을 전담하도록 설계된다. 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.
열 단위 냉각 방식과 마찬가지로 랙 단위 아키텍처는 극히 높은 전력 밀도에 대응할 수 있다는 점 외에도 또 다른 독보적인 특성을 갖고 있다. 우선 공기 흐름이 짧아져 CRAC 팬에 필요한 전력량이 줄고 효율성이 더욱 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.
룸 단위 냉각 아키텍처를 기본으로 하는 기존의 데이터센터 냉각 방식은 차세대 데이터센터에서는 기술적 한계와 실질적 한계를 갖는다. 차세대 데이터센터에는 요구사항 변화에 대한 적응력, 전력 밀도가 높고 가변적인 환경에 대한 안정적 지원 능력, 전력 소비량 및 기타 운영 비용 절감 효과 등이 필요하다는 점은 열 단위 및 랙 단위 냉각 아키텍처 개발의 직접적 동기가 되었다. 이 두 가지 냉각 아키텍처는, 특히 전력 밀도가 랙당 3kW를 넘는 경우 이와 같은 필요를 더욱 효과적으로 충족한다.
룸 단위 냉각은 밀도가 낮거나 변화가 많지 않은 환경에 여전히 효과적인 방식이지만 클라우드 컴퓨팅의 확산에 따라 갈수록 고밀도, 고집적화 하는 차세대 데이터센터에는 많은 한계를 가진다. 열 단위 및 랙 단위 냉각 아키텍처는 차세대 데이터센터에서 요구하는 유연성, 예측성, 확장성, 전력 소비량 절감, TCO 절감, 최적의 가용성 확보 등의 요건을 충족한다. 따라서 앞으로 제공되는 제품들은 이러한 방식을 활용하게 될 것으로 예상할 수 있다.
