[기고] 데이터센터의 저탄소 기술 혁신 사례 및 실천 방안

기사승인 2019.11.15  13:31:34

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[글 박세환 Ph.D. = 기술법인 엔펌(ENF) 전문위원(Chief Consultant) | 한국CCTV연구소 영상보안CCTV산업발전연구회 회장 | 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원]


인터넷 트래픽이 기하급수적으로 증가하며 수많은 데이터센터는 대용량의 전기에너지를 소비하게 됐고, 이는 대기에 온실가스(GHG: Green House Gas)를 방출하게 만드는 원인이 되어, 기후변화라는 악순환을 낳고 있다. 상당수 데이터센터의 인프라가 30~40년 전에 설계돼, 이로 인해 발생할 수밖에 없는 열과 이산화탄소가 대기의 기후변화 현상을 초래하고 있는 것이다. 이에 전력 효율성이 높은 냉각 시스템 구축을 위한 업계의 다양한 노력이 시도되고 있다.

 


 

■ 저탄소 기술혁신 이슈

최근 데이터센터 내 ICT 인프라의 에너지 효율성을 향상시키기 위한 방안으로 전력소비에 발생하는 이산화탄소를 ICT 사용자에게 할당하는 방안이 제시되었다. 이를 위해 다음과 같은 다양한 방법들을 적용해 에너지 관리 목표를 설정하고 있다.
 

• 데이터센터의 성능을 주기적으로 점검해 에너지 관리 프로그램의 재점검을 통한 저탄소 방안
• 데이터센터의 전력소비에 따른 이산화탄소 절감 책임제를 통한 서버 단위의 적정한 ICT 인프라 운영 방안
• 데이터센터의 물리적 기반시설(전력/냉각/조명/제어 등)에 대한 전력사용효율(PUE)* 향상 방안 등
*PUE(Power Usage Effectiveness): The Green Grid 컨소시움에서 제정한 것으로 데이터센터의 전체 소비전력 중 실제 ICT 장비에 사용한 전력의 비율을 지수화 한 수치. 데이터센터의 효율성을 평가하는 표준 지표로 자리 잡고 있다.


데이터센터 운영 비용 중에서 ICT 장비의 냉각에 소요되는 비용이 전체의 50%를 차지한다. 특히 데이터센터의 높은 온도와습도 등으로 인해 ICT 장비의 고장률도 증가하는 것으로 나타났다. 이에 대한 해결책으로 물과 공기만으로 데이터센터의 온도 및 습도의 상승을 제어(냉각)할 수 있는 방법이 제시됐다.이 방법의 핵심은 데이터센터 내 ICT 장비를 내열 및 내습성이강한 장비로 교체하는 것이다. 이는 기계식 냉각장치를 일부가동하면서 이코노마이저(Economiser: 예열 등 다른 유용한 기능을 통해 냉난방장치나 냉각장치 등의 에너지 소비를 줄이는장치나 기술)나 데이터센터 설계 효율적 운영 기술 등을 향상시켜 냉각장치의 사용률을 지속적으로 낮출 수 있는 효과가 있는 것으로 평가받고 있다.

정부에서는 데이터센터 운영 기술 향상으로 냉각장치의 사용률을 지속적으로 낮출 수 있는 효과를 나타내기 위해 ‘그린 데이터센터 구축지침 표준’을 제정한 바 있다. 이는 대규모 데이터센터의 안정적 구축과 에너지 효율성 향상을 위해 데이터센터의 그린화를 자체적으로 평가할 수 있는 진단 방법을 국가표준으로 제정한 것이다. 이를 간단히 요약하면 다음과 같다.
 

• 데이터센터의 건축물/전기 시설/온도 조절 시설 등 부분별 에너지 효율을 높일 수 있는 구축 방법을 제공하고 있어 기존 데이터센터를 그린화하고 신축 데이터센터의 에너지 절감을 극대화하는 데 기여하고 있다.
• 초기 구축과정에서부터 운영-폐기-재활용 등 모든 supply chain에 대한 에너지 효율성 수준을 자체적으로 진단할 수 있는 표준으로 데이터센터 운용자가 현재의 그린화 수준을 정확히 진단하는 데 활용하고 있다.

 


 

■ 국내의 그린 데이터센터 사례

데이터센터의 에너지 절감은 많은 기업들에게 매우 중요한 요인이다. 특히 탄소 용량제 및 탄소 거래제 등과 같은 탄소 배출규제는 일부 기업들에게는 매우 심각한 문제로 다가오고 있다.그렇기 때문에 그린 데이터센터 구축은 단지 예산 절감의 차원을 넘어 저탄소, 저에너지 지향의 글로벌 환경 정책에 대응할수 있는 방안이 될 수 있다. 나아가 온실가스로 인한 기후변화대응 방안과도 접목될 수 있어 매우 중요한 의미를 갖는다.

한 해 평균 국내의 전력 사용량은 20억KWh이며, 전체 데이터센터의 평균 PUE(전력효율지수)는 2.31로 나타났다. 국가표준으로 제정된 ‘그린 데이터센터 구축지침 표준’을 국내 데이터센터에 적용한다면 PUE를 1.83 이하로 낮출 수 있을 것으로 예상된다. 이는 연간 4.4억KWh의 전력량을 절약하여 440억 원 이상의 예산을 절감할 수 있는 수치이며, 동시에 온실가스 감축에도 크게 기여할 것으로 기대된다.



■ 해외의 그린 데이터센터 사례

▶ 구글(Google)의 에너지 효율성 향상 방안
구글은 데이터센터 내 냉각장치 및 냉방장치의 가동으로 인해실내 온도가 크게 차이가 난다고 발표한 바 있다. 이에 에너지효율성을 높이기 위한 방안으로 데이터센터 내 자동 온도 조절기의 설정 온도를 27℃까지 올리는 방안을 제시하고 있다. 이러한 제안은 그간 많은 데이터센터 관련-특히 저탄소 및 저에너지 관련 콘퍼런스에서 논의되어 온 것들이지만 대부분의 기업들이 이를 실용화하지 못하고 있는 상황이다.

실내 설정온도는 초대용량 데이터센터를 운용하는 경우 ICT 장비의 운용 효율성과 직접적으로 연관되어 있어 매우 민감한 사항이다. 구글의 제안은 아주 간단한 프로세스만 실행해도 데이터센터의 PUE를 평균치인 2.0 이상에서 1.5까지 낮출 수 있다는 것이다. 이는 데이터센터 전력 소모의 50%를 차지하는 냉각 시스템과 전력 배분 시스템에서부터 에너지 소모를 줄일 수있는 방안을 강구해야 함을 시사하고 있다.
 

▲ 구글의 싱가포르 데이터 센터 (사진: 구글 공식 블로그)


▶ 델(Dell)의 프레시 에어쿨링 도입 방안
델은 프레시 에어 쿨링(Fresh Air Cooling, FAC) 방식을 데이터센터에 폭넓게 도입하는 데 목표를 두고, 자사에서 출시한 초고속 대용량 서버와 일부 네트워킹 장비 및 스토리지 제품에 대해 40℃의 온도에서 연간 900시간, 45℃에서 연간 90시간동안 안정적으로 가동될 수 있도록 보장할 것이라고 발표했다.

북미 및 대부분의 유럽 지역의 경우 기온이 45℃ 이상으로 오르는 혹서기가 없거나 매우 짧기 때문에 연중 외부 공기에 의한 데이터센터의 냉각이 가능하다. 이 조건에서 보자면 40℃에서 900시간, 45℃에서 90시간이라는 연간 보장시간은 결코 짧은 시간이 아니라는 것을 알 수 있다.

서버를 고온에서 가동하는 것은 서버의 수명 감소 및 성능 저하를 유발할 수 있다. 그러나 델측은 보장 내용에 언급된 시간까지는 성능에 미치는 영향이 제한적일 것이라고 설명하고 있다.

이런 획기적인 제안은 점차 다른 여러 서버 제조업체에게 파급되면서 시너지 효과를 창출하고 있다. 그간 35℃에서 안정적인 동작을 보장해 왔던 다른 업체들과 다르게 델은 대형 업체 중 최초로 획기적인 변화를 시도함으로써 앞선 경쟁력을 갖춘 것으로 평가받고 있다.



■ 데이터센터의 저탄소 실천 방안

▶ 저 전력소비 방안
데이터센터 내 사용하지 않는 하드웨어(프로세서/디스크/메모리 등)를 스핀다운(spindown)하면 에너지 절약 효과를 얻을 수 있는데, 이 때 서버 가상화(Virtualization) 기술을 이용할 수 있다. 항시 대기 상태의 서버를 유지함으로써 비즈니스 민첩성을 향상시키는 효과와 서버의 소비전력 비용면에서 최적의 효율성을 얻을 수 있다. 다만 이를 실현하기 위해서는 몇 가지 인식의 전환이 필요하다.

먼저, 서버 전원 차단 후 리부팅(rebooting)이 될 때까지 너무 많은 시간이 걸린다는 주장이 있는데, 부팅 타임에 시스템 진단 및 바이러스 검사 등과 같은 불필요한 과정을 최소화하고 하드웨어 웜 스타트(Worm start) 기능 등을 이용하면 서버 부팅시간을 충분히 단축시킬 수 있다. 두 번째로 불규칙한 전원 사이클링은 핵심부품에 오동작을 일으키거나 수명을 단축시킬 수도 있다는 인식이 있다.

그러나 실제적으로 서버는 자동차나 의료기기처럼 잦은 전력사이클링이 발생하는 부품들로 구성된다. 서버에서 전력사이클링이 지속된 결과로 MTBF(MeanTime Between Failures: 평균 무고장 시간)가 감소함을 입증 할만한 어떠한 증거도 없다.
 



▶ 직류전류 사용
데이터센터 내 모든 장비에 교류(AC) 대신 직류(DC) 전류를 사용함으로써 서버 내부의 전원 모듈에서 교류를 직류로 변환하는 과정을 생략한다면 전력 손실도 줄이고, 발열도 줄일 수 있을 것이다.

초기 데이터센터에서는 발전소로부터 공급되는 1만 6000V 교류전력이 건물 안에서 라우팅(routing)을 위해 교류 440V에서200V로 변환된 후 최종적으로 교류 110V로 변환되어 서버에 제공되었다. 전력 반환 시 발생하는 손실은 열로 치환돼 실내평균온도를 상승시키는 원인이 되었으며, 다시 이를 냉각시키기 위해 더 많은 전력을 사용해야 하는 악순환이 반복됐다.

그런데 만약, 고압의 교류를 먼저 직류로 변환해서 사용한다면, 기존에 장비 별로 이루어졌던 여러 번의 교류-직류 변환과정을 생략할 수 있다. 이를 통해 전력 손실을 방지하고 방열을 억제해 냉각효율도 높일 수 있다.


▶ SSD 메모리 이용
고속 액세스타임, 적은 전력소모, 낮은 열 방출량 등의 유용한 특성을 갖는 SSD(Solid State Drive) 메모리를 스토리지로 사용하면 지금껏 지적했던 많은 문제점들을 한번에 해결할 수 있다. 물론 아직까지 SSD의 용량대비 가격은 비싼 편으로, 대용량을 필요로 하는 서버에 SSD를 전면 도입하기는 무리가 있을 것이다.

하지만 SSD의 가격은 꾸준히 하락 중이며 용량은 계속 커지고 있다. 무엇보다 SSD를 도입할 경우 운용비용이 감소한다는 장점이 있다. 머지않은 장래에 기존의 스토리지 가격과 운용비용의 총합이 SSD의 가격과 운용비용 총합에 근접하게 되면 본격적으로 데이터센터 스토리지 교체 수요가 발생할 것으로 예상된다.

이 외에도 데이터센터 온도조절기의 평균온도 상승 방안, 기계식 냉각장치 대신 외부 유입 공기를 이용한 무료 냉각 방안 등이 제시되고 있다.



■ 에너지 효율성 데이터센터 설계 필요

지금까지 데이터센터 운용비용의 50%를 차지하는 냉각장치의 저탄소 이슈와 기술혁신, 그리고 국내외 그린 데이터센터시범 사례에 대해 알아봤다. 그리고 이러한 사례 연구를 토대로 데이터센터의 저탄소 실천 방안(ICT 사용자별 에너지할당방안과 다양한 저 전력소비 방안 등)에 대해 설명했다. 하지만 이 외에도 데이터센터의 탄소 배출량을 줄이는 방안은 많으며, 지금도 지속적으로 새로운 기술이 연구되고 있다.

가령, 지속적인 전기 부하와 높은 수준의 안정성을 결합하면대형 데이터센터의 구조를 최적의 전력 발전 조건에 맞춰 설계할 수 있다. 그리고 예비 발전 시스템을 현장의 발전 설비로 교체하면 초기 비용을 줄일 수 있다. 이런 발전 설비는 전력 배분시설의 대안적 수단이 될 수도 있다. 랙(rack) 주변의 열을 흡수할 수 있는 흡수 냉각기술을 통해 데이터센터에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 방안도 필요하다.
 


특히 데이터센터 설계 시 가장 중요하게 고려해야 할 점은 저전력화를 구현한 저탄소 지향의 시스템 설계다. 기하급수적으로 증가하고 있는 인터넷 트래픽을 효과적으로 수용할 수 있도록 데이터센터의 실내 공기, 냉방 및 전력 시스템, 전원 설비 및 방열 시스템 등의 환경적 조건을 만족할 수 있어야 한다. 데이터센터의 ICT 장비가 갖는 환경적 조건 및 에너지 효율화를 위한 프로세스는 기계 및 전력 시스템에 대한 2차적 에너지 절감이라는 파급 효과를 만들어 낼 수 있어 더욱 중요한 의미를 갖는다.

궁극적인 목적은 수많은 데이터센터의 전기에너지 사용 효율성을 높여 이산화탄소 발생량을 절감함으로써 지구의 대기를 보호하는 것이다. 데이터센터에서 이러한 방안을 적극 추진하기 위해서는 간단하면서 최적의 에너지 효율성을 나타낼 수 있는 에너지 관리 모델링을 통해 시스템을 구축할 필요가 있다.

석주원 기자 jwseok@cctvnews.co.kr

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