데이터센터 에너지 절약이 어려운 이유

지구 온난화와 에너지 자원이 세계적인 이슈 로 떠오르면서 모든 산업분야에서 에너지 절약 이 화두가 되고 있다. IT 분야도 예외는 아니다. IT 분야에서는 특히 전기 먹는 하마라 불리고 있 는 데이터센터의 에너지절감 방안에 관심이 모 아지고 있다.

오늘날 우리 문명은 전기에 의해 유지되고 있 다고 해도 틀린 말은 아니다. 우리가 현재 사용 하고 있는 대부분의 기기들은 전기를 사용하며 그 사용량은 지금도 계속 증가하고 있다. 전기 즉, 에너지 사용이 늘어나면서 수억 년 동안 지 구 내부에 축적되어 온 화석에너지가 고갈되고 있으며 세계는 지구 온난화라는 위협에 직면하 고 있다.

1946년 최초의 컴퓨터 애니악(ENIAC)이 개발 된 이래 최근 스마트 폰까지 디지털산업의 발전 은 눈부신 성과를 이뤘으며 동시에 이런 디지털 기기를 사용하기 위한 네트워크와 데이터 축적 은 필연적으로 대량의 전력을 소비하는 데이터 센터를 필요로 하게 됐다.

기사와 자료 등 우리가 인터넷을 통해 접하는 모든 정보는 어딘가에 데이터 형태로 저장되며 인터넷이라는 통신망을 통해 수많은 사람들에게 제공된다. 방대한 데이터는 모두 어딘가에 저장 되어야 하며 데이터가 늘어날수록 이 저장공간 은 계속 증가할 수밖에 없다. 뿐만 아니라 국가 와 기업은 필요에 따라 수많은 프로그램과 이와 연관된 자료를 축적해야 한다. PC를 사용하는 개인의 경우도 예외는 아니다.

이런 여러 가지 이유로 데이터센터의 수요는 늘어날 수밖에 없으며 이와 비례하여 그 운영에 필요한 전력량 또한 증가하게 된다. 데이터센터 는 1990년대에 출현한 이후 짧은 기간에 가장 급 속하게 성장한 산업분야이다. 그러나 대량의 전 기를 소비하는 산업시설로 인식되면서 에너지 절감 문제가 당면 과제로 떠오르고 있다.

전기요금에 민감한 데이터센터

데이터센터는 엄청난 양의 전기를 필요로 하 기 때문에 전기요금에도 민감하다. 다행히 우리 나라의 전기요금은 선진국에 비해 비교적 저렴 하다. 일본, 이탈리아에 비해서는 절반 수준, 미 국과는 비슷하며, 기타 유럽 선진국에 비해서는 근소하거나 저렴한 수준이라고 한다. 하지만 이 러한 요금 수준은 앞으로 크게 변화될 것으로 보인다.

실제 정부는 얼마 전 수도권 소재 IDC를“지식기반산업 전 기요금 특례대상”에서 제외한다고 밝히는 등 에너지 원가상 승에 대한 부담을 해소하기 위해 전기료를 인상할 수 밖에 없 다는 입장을 보이고 있기 때문이다. 업계에서는 향후 전기요 금이 가파르게 인상될 것으로 예상하고 있다.

특히 우리나라 전체 전력생산의 약 32%를 차지하는 원자 력 발전이 안전성 문제로 정부의 계획과 다르게 줄어들 가능 성이 있다는 점은 전기 요금에 대한 부담이 커질 것임을 암시 하고 있다. 정부는 원자력 발전비중을 59%까지 꾸준히 늘려 나간다는 입장이지만 일본 지진사태 이후 원자력에 대한 여 론의 부정적인 시각 때문에 쉽지 않아 보인다.

선진국에서 사용되는 대체에너지 또한 그 제조원가가 높아 실현가능성은 낮아 보인다. 우리가 전력 소비량을 줄이는 방 법을 모색해야 하는 이유이다

. 전원시설의 경우, 한전에서 공급받는 고압입력 회선부터 ALTS >LBS >VCB >MOF >VCB >TR >ACB >DB >UPS >DB >PDU의 순으로, 상호간 부스덕트나 전원케이블로 연결 된 하나의 시스템이 완성체로서 데이터센터에 전원을 공급해 정전 시에도 영향이 없도록 발전기와 배터리가 추가로 설치 된다. 이러한 시설은 상호 수직이나 수평으로 연결돼 한 곳에 서 문제가 생기면 다른 곳에 영향을 주게 된다. 따라서 한번 설치돼 운영되기 시작한 전원시설은 상호 연관성 때문에 시 설을 변경하거나 교체하는 것이 거의 불가능하다. 특히 24시 간 무중단 운영을 생명으로 하는 데이터센터의 경우는 더욱 그렇다.

PUE가 뭐예요

PUE는 Power Usage Effectiveness의 약어로 데이터센터의 전기소비효율을 나타내는 지표로 주로 사용된다. (PUE=IDC전체 전기소비량 /IT장비의 전기소비량)
국내 IDC의 평균 PUE는 2.3, 미국은 1.75로 조사되고 있다. 전력효율 면에서 국내 IDC는 개선할 점이 많다는 것을 보여주고 있다. 한번 설치된 전원시설, CRAC 등 냉방시설은 변경이나 교체가 어려울 뿐 아니라 많은 비용이 들어가 PUE 개선이 현실적으로 매우 어렵다. 실 제 비용을 들여 개선에 나선다고 해도 비즈니스의 연속성 관점에서 데이터센터를 정지하는 것이 어려우므로 PUE 개선작업은 불가능에 가깝다 고 할 수 있다. 따라서 사업초기 Concept Design부터 에너지 절약 목표를 포함하는 컨설팅과 함께 보다 장기적이고 포괄적인 관점에서 사업 이 진행되어야 한다. 사업 초기에 솔루션 제공과 TOC (Total Cost of Ownership) 분석에 드는 컨설팅 비용에 투자를 아끼지 말아야 하는 이유 이다

열원기기의 용량 밸런스, 서로 다른 운전 모드로 운영되는 CRAC의 Fighting, 부적합한 랙의 배치, 기류순환 장애 및 Bypass, 속도 제어가 불가능한 팬, 동절기에도 같은 시스템 으로 운영되는 Single System 등이 전력소비를 결정하는 요인이다.

산업시설에 적용되는 이러한 전원계통은 이미 고효율화 가 달성돼 특별하게 효율 증대를 기대하기 어렵다. 실제 사 업시설에는 고효율 TR, 고효율 UPS가 대부분 적용되고 있 다. 또한 계통의 단순화를 통해 손실을 줄이려는 방안은 계 통간의 백업 등 위험에 대비해야 한다는 점을 감안할 때 현 실적으로 추진이 어렵다. 한 예로 백업회로를 구성할수록 계 통은 복잡해진다.

오래된 PC의 경우 내부에 먼지가 쌓이고 냉각이 안될 경 우 다운되는 것과 같이 IT장비도 과열될 경우 문제가 발생한 다. 따라서 안정적인 시스템 운영을 위해 일정한 온습도 유 지해야 한다. 일정한 온습도를 위해 설치되는 것이 CRAC인 데 규모가 큰 데이터센터의 경우 일반적으로 냉각탑 >펌프 > 냉동기 > 펌프 >CRAC 순으로 구성된다. 각 장비는 배관과 제어시스템을 통해 데이터센터에 냉방을 공급한다.

전원시설과 마찬가지로 이러한 냉열원 장비들도 데이터 센터의 안전을 위해 무중단으로 운영돼야 한다. 냉방시설 역 시 운영 중에 교체하거나 변경하기가 어려운 이유이다. 특히 여분(Redundancy)의 냉방시설이 없는 경우에는 정전작업 없이 작업하는 게 사실상 불가능하다.

이런 이유로 데이터센터는 모든 계통과 장비에 Redunda ncy를 적용, Single Point of Failure 없이 비상시에도 무중 단 운영이 가능하도록 하고 있다. 그러나 비용에 부담, 낮은 효율성 등으로 인해 완벽하게 적용하기 어렵다는 게 일반적 인 시각이다. 데이터센터는 소비 전력을 낮추어야 한다는 과 제워 가시적 인 성과를 거두기 힘든 현실이다중하는 이유

<그림>‘ 데이터센터의전력소비분포’에서알수있듯이 일반적으로 데이터센터에서 전력 소비는 IT 장비가 50%, 냉 방(기류 운송 포함)이 35%이다. 그리고 전원시설에서의 소 비량은 부하의 용량에 절대적으로 비례하지만 냉방시설은 이와는 다른 양상을 보이고 있다.

대부분 데이터센터는 필요한 냉방부하(Cooling Load)보 다 많은 에너지를 소비하고 있는데 이는 열원기기의 용량 밸 런스(Balance), 서로 다른 운전 모드(Mod)로 운영되는 CRAC의 Fighting, 부적합한 랙(Rack)의 배치, 기류순환 장애 및 바이패스(Bypass), 속도 제어가 안 되는 팬(Fan), 동절기에도 같은 시스템으로 운영되는 Single System 등에 서 기인한다. 따라서 데이터센터의 에너지절약이 효과를 거 두기 위해서는 CRAC을 포함한 냉방시스템에서부터 시작해 야 한다. 최근에는 Free-cooling chiller와 함께 EC Fan을 적용한 다수의 CRAC을 적용하는 것이 에너지절약 관점에 서 가장 효과적인 것으로 알려지고 있어 그 적용이 점차 확대 되는 추세이다. 최근에는 에너지 절약형 CRAC의 적용뿐만 아니라 같은 면적에서 보다 고발열 장비를 수용하고 열분포 가 좋도록(장애가 없도록) Cold & Hot Aisle을 물리적으로 구획하는 보다 적극적인 방안이 적용되고 있다

솔루션 관점에서 CRAC의 적용

냉방시설에서의 에너지 절약은 장비구성, 내부 기기배치, 적합한 운영 등 3가지 항목으로 나눌 수 있다. 이 중 장비구성 과 기기배치는 전체 건축의 구성과도 밀접하게 관련이 있으 므로 사업 초기에 그 방안이 확립되어야 한다.

에너지절약 방안으로 가장 많이 거론되는 외기냉방은 표준 화된 제품이 없고 신뢰성 부족으로 실제 현장에 적용하기가 어려운 점이 있다. 특히 CRAC과 급배기 Damper들간의 자 동제어가 어려우며 Duct 및 급배기 시설이 상당한 공간을 점 유해야 하는 단점이 있다.

이제는 단순하게 CRAC만 설계도면에 표기하는 것이 아니 라 솔루션 관점에서 CRAC 및 냉방시설이 적용되어야 한다. 열원기기와 CRAC과의 용량 밸런스, Change Over, Grommet, Team Work Mode, SmartAisle, Free-cooling Chiller 및 CRAC, EC-Fan, Spot Cooler, 최적화된 Rack 배치, CFD Simulation을 통한 검증 등 다양한 방안이 통합 적으로 검토되어야 한다. 데이터센터의 에너지 절약을 위해 위 항목들을 정확히 분석하고 실무에 적용할 수 있는 솔루션 업체와 컨설팅의 역할이 날로 중요해지고 있으며 이와 관련 한 엔지니어 양성이 시급하다고 할 수 있다.

CRAC가 뭐예요 / EC Fan이 뭐예요

CRAC는 Computer Room Air Conditioner로 항온항습기를 지칭하는 말이다. 이 용어는 데이터센터와 같은 IT 관점에서 사용하는 용어 이며 정밀한 온습도 제어를 필요로 한다는 의미로 Precision Unit이라고도 한다. EC Fan은 Electronically Commutated Fan으로 Brush-less DC motor를 채용한 Fan & Motor 일체형 Unit을 의미한다. 기존의 AC Motor와 Belt drive 구조의 팬(Fan)에 비해 동력손실이 적으며 특히 경부하(Low load)에서 속도 제어(Speed Control)에 의한 에너지 절감 효과가 뛰어나다.
최근에는 SmartAisle 및 Free-cooling chiller와 함께 EC Fan을 적용한 다수의 CRAC을 운영하는 것이 에너지절약 관점에서 가장 효과적인 것으로 확인되고 있으며 그 적용이 점차 확대되는 추세이다. 특히 유럽, 미국 등 선진국에서는 이러한 관점에서 Free cooling과 EC Fan 적용 이 보편화 되고 있다.