고집적 하이퍼스케일 데이터센터의 IT운영환경 확보를 위한 랙-기반 냉각시스템 적용성 연구 (A Study on the Rack-based Cooling Approach Applicability for Stable IT Environment of High-density and Hyper-scale Data Centers)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 34권 / 4호 / 183 ~ 197페이지
· 저자명 : 조진균, 이영재, 이웅복

초록

COVID-19 펜데믹, 비대면 산업성장과 4차 산업혁명의 인과관계에 의해 모든 산업으로 디지털화되고 있으며 데이터센터는 이러한 현상에서 가장 핵심적인 역할을 하고 있다. 향후 수요가 예상되는 하이퍼스케일 데이터센터는 IT서비스 변화에 따른 신속한 대응뿐 아니라 무중단 운영의 안정성 확보를 위한 냉각시스템이 매우 중요한 요소이다. 본 연구는 신규로 요구되는 데이터센터의 핵심 요소인 고밀도 IT전력에 대응 가능한 냉각시스템의 필요 건축면적, 에너지성능 등을 정량적으로 비교하여 합리적인 냉각방식 선정의 객관적인 판단기준을 제시하였다. 냉각방식의 타당성 평가를 위해 3개의 150 kW급 IT룸 설비모듈을 도출하였다. 또한 각 설계 대안별 냉각 PUEcooling 및 에너지비용 대한 정량적 분석으로 경제성 관점에서도 객관적인 판단기준을 제시하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약이 가능하다.
∙데이터센터 냉각을 효율적으로 수행하기 위해 구성된 IT전력밀도에 따라서 공간단위(room-based), 열-기반(row-based) 및 랙-기반(rack-based) 냉각방법이 구분할 수 있다. 공간단위 냉각은 5 kW/rack 이하의 저밀도, 열-기반 냉각은 6~10 kW/rack 범위의 중간밀도 데이터센터에서 사용가능하고 랙-기반 냉각은 15kW/rack 이상의 고도밀 랙-서버(최대 50 kW/rack)까지 대응가능하다.
∙냉각시스템의 설비모듈 구성의 타당성 평가를 위해 150 kW급 IT룸 독립모듈의 대안을 도출하였다. 고밀도 대응 랙-기반 냉각 설비모듈을 기준으로 필요면적을 분석한 결과, 중간밀도 대응 열-기반 냉각 설비모듈은 150% 증가하고, 저밀도 대응 공간단위 냉각 설비모듈은 230% 증가하는 것으로 분석되었다.
∙냉각유닛은 공단단위에서 열-기반 그리고 랙-기반 냉각으로 갈수록 분산도가 높아져서 장비의 수량은 증가하지만 IT장비의 증가에 따른 공간 점유율의 영향도와 비교하면 매우 낮다.
∙기준안: 랙-기반 냉각시스템의 연간 PUEcooling은 1.28이고 IT부하 1 kW를 운영하기 위해서는 연간 231 USD의 냉각에너지 비용이 발생하는 것으로 분석되었다.
∙ALT-1: 열-기반 냉각시스템의 연간 전력사용량은 기준안 대비 약 10%가 증가하고 PUEcooling은 1.31, 그리고 냉각에너지 비용은 255 USD/IT-kW가 소요된다.
∙ALT-2: 공간단위 냉각시스템의 전력사용량은 기준안과 ALT-1 대비 각각 18%와 7% 증가하고 PUEcooling도 1.33으로 증가하여 냉각에너지 비용이 272 USD/IT-kW가 된다.
∙CRAC/H 유형에 따른 송풍동력 감소, 그리고 냉수공급온도 상향에 따른 1차측 열원에너지 절감이 공간단위 냉각에서 열-기반 냉각과 랙-기반 냉각으로 갈수록 에너지효율이 향상되는 주요 원인으로 조사되었다.
지속적으로 증가하는 초고밀도 IT부하에 대응 가능한 냉각방식은 공랭식(air-cooled)으로는 한계에 도달했으며 수냉식(liquid cooling)을 고려해야한다. 수냉식 냉각은 IT장비의 칩셋에 냉매를 공급하여 냉각을 하거나 IT장비 자체를 냉매에 넣어서 냉각하는 액침냉각(immersion cooling)을 검토해야 한다. 그러나 이러한 기술들은 IT장비 제조사와 협의가 필요하고 데이터센터 내부에 수냉식 냉각 인프라를 구축해야하기 때문에 현재까지는 적용이 어렵다. 또한, 아직까지는 랙-기반 냉각이 적용된 사례가 많지 않다. 이것은 지금까지는 공간단위 또는 열-기반 냉각으로 가능한 IT전력밀도로 데이터센터가 구축되었기 때문이다. 그러나 하이퍼스케일 데이터센터가 주류가 되고 15.0 kW/rack이상의 전력밀도를 적용해애 할 경우는 랙-기반 공랭식 냉각을 반드시 고려해야하고 우선 검토 대상이다.

영어초록

For the feasibility study of data center cooling strategy according to IT power density, a 150 kW class IT room independent module was derived. As a result of analyzing the required area based on the rack-based cooling module for high density IT power, it was deduced that the row-based cooling module for medium density IT power increased by 150%, and the room-based cooling module for low density IT power increased by 230%. It was deduced that the annual PUE cooling of the rack-based cooling system is 1.28, and the annual cost of cooling energy is 231 USD to operate 1 kW of IT load. For the row-based cooling system, the annual power consumption increased by approximately 10% compared to the rack-based cooling system, PUE cooling is 1.31, and the cooling energy cost is 255 USD/IT-kW. The power consumption of the room-based cooling system increased by 18% and 7%, respectively, compared to the rack-based and row-based cooling, and the PUE cooling also increased to 1.33, resulting in a cooling energy cost of 272 USD/IT-kW. When hyper-scale data centers become mainstream and IT power density of 15.0 kW/rack or higher, the rack-based cooling must be considered first.

참고자료

· 없음