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디지털 비즈니스의 지속 가능성을 극대화하는, 데이터센터의 ‘쿨링 최적화’

기사입력 : 2021년 03월 22일 16시 06분
ACROFAN=권용만 | yongman.kwon@acrofan.com SNS
산업 혁명 이후 우리 사회는 본격적으로 자본을 중심으로 하는 분업화된 구조 속에서 각자의 역할을 통해 가치를 창출하는 시대를 맞았다. 이러한 현대 자본주의에서 가치 창출에 참여하는 기업의 관심사는 이윤 추구로, 이는 간단히 최소한의 비용으로 최대한의 이윤을 추구하는 형태로 표현되지만, 실제로는 원가와 가격만으로 계산될 만큼 단순하지 않다. 특히 사회의 일원으로 기능하는 기업은 이윤 추구 뿐 아니라, 사회의 일원으로써 해야 할 의무에도 충실해야 하며, 이런 의무에 소홀한 기업은 사회의 경제적 순환 고리에서도 참여할 수 없게 되어 지속 가능성을 논할 수 없게 될 것이다.

최근 기업의 사회에 대한 영향력과 지속가능성 측면에서 중요하게 다루어지는 개념인 ESG(Environmental, Social, and Corporate Governance)는, 사회 전반의 선순환 구조를 위한 기업의 역할을 반영하고 있다. 특히, 전 세계적으로 모든 국가와 기업이 직면하고 있는 기후 변화 등의 환경 문제 대응에 있어, 기업 또한 전 세계적인 당면 문제의 해결에 동참하고, 이에 따른 국가별 정책에 효과적으로 대응할 수 있는 방안을 고민해야 한다. 그리고 기업에 있어 이러한 환경 관련 문제는 장기 과제가 아니라 지금 바로 시작해야 하는 문제이며, 지금 움직이지 않으면 앞으로 기업이 마주하게 될 대가의 크기는 기업의 지속가능성을 위협할 정도로 커질 것이다.

이제 기후 변화로 인한 영향을 줄이기 위한 에너지 효율 극대화와 탄소 배출량 줄이기는 모든 지역과 산업군에 걸친 중요한 당면 과제이며, 디지털 변혁의 시대를 이끌고 있는 데이터센터도 예외는 아니다. 그리고 데이터센터의 에너지 소비 최적화는 절대적인 에너지 소비량과 상대적인 에너지 효율 부분을 모두 고려해야 하며, IT 관점에서는 단위 작업당 소비되는 전력량을 최적화하고, 운영의 관점에서는 데이터센터의 IT 영역 이외에서 소비되는 에너지를 최소화할 필요가 있다. 이 때, 슈나이더 일렉트릭이 제시하는 데이터센터의 ‘쿨링’에 대한 최적화 솔루션은, 데이터센터가 소비하는 에너지를 최대한 IT 영역에 집중시킬 수 있도록 해, 사회적 관점과 기업의 효율성 모두에서 지속 가능성을 극대화할 수 있게 지원한다.

▲ 이제 기업의 사회와 환경에 대한 기여, 지속가능성 추구는 전략적으로도 중요한 부분이 되고 있다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

현재 인류의 지속 가능성 측면에서 직면한 가장 큰 과제로는 기후 변화에 대한 대응이 꼽히며, 산업화 이후 나타난 지구의 기온 상승과 이로 인한 기후 변화는 이미 우리의 삶에 영향을 미치고 있다. 이에 전 세계의 국가와 기업, 조직들에 걸쳐 기후변화에 대한 적극적인 대응이 요구되고 있으며, 대응의 시기가 늦어지고 수준이 완화될수록, 인류가 마주할 미래의 어려움은 더욱 커질 것으로 전망된다. 기업에 있어서도, 환경과 사회 문제는 인류와 사회의 지속 가능성, 기업이 존재하기 위한 사회의 가치 순환 구조에 대한 문제이므로, 기업의 최우선 목표인 ‘이윤 추구’보다 우선시되어야 한다.

기후 변화에 대응하기 위한 전 세계적인 움직임에 있어, 각 국가와 기업들은 이제 각자의 탄소 배출량에 대한 제한을 받고 있다. 이에, 기업들은 공장 등에 있어 현지의 관련 규제를 준수해야 할 의무가 있다. 또한 더욱 많은 글로벌 기업들의 가치 사슬 생태계에서는 이 탄소 배출량 전반을 최소화하기 위한 규제 준수 이상의 노력을 의무화하고 있으며, 이러한 글로벌 생태계에 편입하기 위해서도 탄소 배출량 감축에 대한 투자와 노력을 회피할 수 없는 상황이다. 이에, 기업의 경영에 있어 기후 변화에 대한 대응과 탄소 배출량의 감축에 대한 노력은, 이제 기업의 지속 가능성과 비즈니스 기회 창출을 위한, 최우선 핵심 전략으로 떠오르고 있다.

이러한 기후 변화와 지속 가능성에 대한 대응은 기업에 있어 단순한 ‘지출’이 아닌 ‘투자’의 의미로도 받아들여지고 있다. 탄소 배출량 감축과 ‘넷 제로’ 구현을 목표로 하는 에너지 효율 향상은, 기업에 있어서도 전반적인 ‘운영 비용 절감’의 결과로 돌아오며, 이는 환경 뿐 아니라 기업의 경제적 지속 가능성 또한 높이게 된다. 또한 환경과 사회의 미래에 적극적으로 투자하는 기업이라는 평판 또한 장기적으로 소비자와 투자자에 더 매력적인 이미지를 전달하며, 지속적인 발전을 위한 인재 영입에도 긍정적인 영향을 기대할 수 있다. 이 외에도, 지속 가능성을 목표로 공식 설정한 기업은 혁신적 솔루션을 도입해 경쟁력을 높일 가능성이 더 높게 나타난다는 시장 조사 결과도 있다.

앞으로의 기업과 사회, 크게는 인류의 지속 가능성을 위해 달성해야 할 목표인 탄소배출량 감축, 궁극적으로는 탄소배출량 중립 상태인 ‘넷 제로’를 달성함에 있어 핵심적인 요소로는 ‘전기 에너지’, 그리고 ‘디지털화’가 꼽힌다. 이 중 ‘전기 에너지’는 다른 에너지 자원 대비 높은 효율성과 함께, 다양한 친환경적 생산 수단을 활용할 수 있다는 장점이 있고, 친환경 재생에너지의 생산 비용 또한 지속적으로 낮아지고 있다. 이와 함께 ‘디지털화’는 빌딩과 산업 시설 등에서 기존의 전기 에너지 사용 효율을 30% 이상 개선시키며, 전력 공급 체계에 다양한 위치에서 생산되는 재생에너지들을 더욱 효율적으로 통합시켜, 에너지의 생산과 소비 양 쪽에서 탄소 배출량을 줄이고 효율을 높일 수 있게 한다.

▲ 데이터센터의 에너지 효율 개선에서 가장 중요한 과제로는 ‘쿨링’이 꼽힌다

앞으로의 세상을 더욱 효율적으로 만들기 위해 더 많이 사용될 디지털 기술을 제공하기 위한 ‘데이터센터’ 또한 효율 향상에서 예외가 될 수 없다. 특히, ‘디지털 변혁’이 빠르게 진행됨에 따라 기하급수적으로 늘어나는 데이터와 서비스 수요를 현실적으로 충족시키기 위해서는, 데이터센터의 효율을 극대화할 필요가 있다. 특히, 데이터센터가 달성해야 하는 ‘고효율’은 최대한 적은 소비전력과 상면 면적에서, 최대한의 처리량을 달성하는 것이며, 이를 위해서는 IT 영역에서 소비 전력량 대비 높은 성능을 제공하는 최신 인프라의 도입, 그리고 데이터센터에 공급되는 전체 전력량 중 IT 자원에 사용되지 않는 전력량의 비중을 최소화하기 위한 노력이 필요하다.

데이터센터의 효율성 기준으로 흔히 언급되는 PUE(Power Usage Effectiveness)는 데이터센터의 전체 전력 중 IT 장비에 사용되는 전력의 비율을 나타내며, 모든 전력이 IT 장비에 사용되는 가장 이상적인 상태는 PUE 1 이고, PUE 2.0이 넘어가면 데이터센터의 전체 소비전력 중 IT 장비에 사용되는 전력이 채 절반도 되지 않는다는 의미가 된다. 물론 이 PUE 수치는 시설 전체의 효율을 나타내는 수치로, IT 장비의 성능 효율, 밀도를 반영하지는 않는다. 그리고 PUE 수치에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 IT 장비의 최적 운영 환경을 유지하기 위한 ‘냉방’ 장비들이며, PUE 1.2 이하의 뛰어난 효율을 가지는 데이터센터는 예외 없이 쿨링에 최적화된 독특한 구조와 기술적 특징을 하나씩은 가지고 있다.

지금까지의 일반적인 데이터센터들은 서버 룸 안에 서버를 설치하고, 방 안에 일률적인 기준 온도를 설정해 공조 장치를 운영했다. 이 때 ‘기준 온도’는, 서버 룸 안에 있는 장비 중 온도에 가장 민감한 장비를 기준으로 하게 되며, 일반적으로는 20~22℃ 전후가 된다. 이에, 데이터센터 내의 온도는 대부분의 서버들에 있어서 지나친 과냉방 상태가 되지만, 부하가 심한 일부 서버에서는 쿨링 관련 문제를 동시에 겪는 복잡한 상황을 마주하기도 한다. 또한 서버로 들어가는 공기와 데워져 나오는 공기가 한데 섞이면서, 냉방 효율을 더 떨어뜨리는 결과를 만든다. 이러한 비효율적인 공조 시설의 운영은 고스란히 데이터센터의 전력 관련 ‘비용’과 ‘지속 가능성’ 측면으로 연결된다.

미국공조냉동공학회(ASHRE)에서 권장하는 데이터센터 운영 온도는 18~27℃ 정도지만, 많은 데이터센터들이 이보다 낮은 온도로 데이터센터를 운영하고 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 데이터센터에서 서버에 공급되는 쿨링의 온도를 1℃ 만 올리더라도 전체 에너지 비용의 4%를 절감할 수 있다는 연구 결과도 있으며, 2011년 페이스북의 사례에서는 고온 데이터센터 운영의 영역인 26.6~29.4℃로 데이터센터를 구성해, 45% 정도의 냉공조 비용 절감 효과를 거둔 바 있다. 하지만 일반적인 데이터센터에서는, 전체 데이터센터의 온도를 1°C 올릴 경우, 데이터센터 곳곳에 존재하는 ‘핫 스팟’에서 나타나는 인프라의 장애가 온도를 섣불리 높일 수 없는 이유이기도 했다.

▲ 필요한 곳에 필요한 만큼의 냉방만을 할 수 있는 환경을 구현해, 데이터센터의 에너지 효율을 크게 높일 수 있다

지속 가능한 디지털 시대를 위한 ‘고효율’ 데이터센터의 시작은, 데이터센터가 사용하는 전력량 중 IT 이외의 부분이 차지하는 부분을 최소화하는 것이며, 특히 데이터센터에 최적화된 공조 시설의 설계와 운영 환경 구축은 데이터센터의 에너지 효율에 큰 영향을 미친다. 현재 일반적인 데이터센터 운영에서의 고정된 쿨링 시설 운영 정책은 데이터센터 내의 모든 서버가 정형화된 랙 레이아웃으로 배열되고, 모든 서버가 비슷한 발열을 낸다는 이상적인 조건을 전제로 하지만, 현실은 그렇지 않다. 랙 배열의 레이아웃도 상황에 따라 바뀌고, 서버의 부하와 소비전력 또한 천차만별이며, 서버별로 효과적인 쿨링을 위해 요구되는 외기 온도 또한 장비 특성과 부하 상황에 따라 달라진다.

데이터센터의 공조 시설 운영에서 가장 이상적인 효율을 얻는 방법이라면, 전체적으로 고정된, 일률적인 정책에 따른 시설 운영이 아니라, 상황에 따라 필요한 곳에, 필요한 만큼만 냉방하는 것이 될 것이다. 그리고 이러한 ‘동적 쿨링 제어’를 위해서는 데이터센터의 공간 구성과 공조기 배치부터 일정 크기의 구역별 온도 제어가 가능하도록 세심하게 계획할 필요가 있고, 운영 환경과 발열이 비슷한 서버들을 최대한 같은 공간에 모아둘 필요가 있으며, 다른 서버들과 함께 있어야 하지만 운영 환경이 이질적인 스토리지 같은 장비들에는, 특정 핫스팟 제거를 위한 별도의 쿨링 장치를 조합하는 것이 전체 데이터센터의 온도를 이 장비의 특별한 요구에 맞추는 것보다 여러 모로 합리적이다.

이러한 동적 쿨링 제어의 궁극적인 목표는, 운영자의 의도에 따라 IT 부하에 맞게 자동으로 쿨링을 조절해, 핫스팟을 제거하고 낭비되는 쿨링 에너지를 최소화하는 것이다. 이를 위해서는 구역별 온도 제어가 가능하도록 세심하게 배치된 공조 장치들을 상황에 따라 신속, 정밀하게 제어할 수 있는 모니터링과 제어 기술이 필요하다. 구체적으로는 데이터센터 곳곳에 설치된 온도 센서와 서버의 모니터링 데이터 등을 수집하고 분석, 이에 따라 적절한 위치에 적절한 수준의 냉방을 공급할 수 있어야 할 것이다. 또한, 수집된 데이터를 기반으로 공조 시설을 제어하는 데 있어, 잘 만들어진 정책은 동적 쿨링 제어의 효과를 극대화해 준다.

한편, 이러한 정교한 구역별 동적 쿨링 제어 환경은 데이터센터에서 IT 인프라 선택의 폭과 효율 극대화에도 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 데이터센터의 에너지 효율을 극대화하기 위해 일반적인 온도보다 더 높은 흡기 온도에서도 정상 작동하는 고온 데이터센터 환경용 서버를 도입할 때, 구역별 동적 쿨링 제어 환경은 기존 환경에 대한 영향 없이 고온 데이터센터 환경으로의 점진적인 전환을 가능하게 한다. 또한 실시간 부하에 최적화된 쿨링 영향 조절은 소비 전력의 최적화 뿐 아니라, 팬 속도 설정과 컴프레서 성능과의 불균형 등으로 제대로 활용하지 못하던 쿨링 용량을 극대화할 수 있는 여지도 제공한다.

▲ ‘쿨링 옵티마이즈’는 센서의 실시간 정보와 AI 엔진의 결합으로, 필요할 때 필요한 만큼의 냉방으로 에너지 효율을 극대화한다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

슈나이더 일렉트릭의 DCIM(Data Center Infrastructure Management) 솔루션은 데이터센터의 구축과 운영 전반에 걸쳐, 물리적 시설과 보안, UPS 및 전력 시스템, 항온항습 및 쿨링 시스템, 지속적 관리를 위한 용량 및 자산관리, 데이터센터 생애주기 전반의 유지보수에 이르기까지 포괄적인 서비스를 제공해, 데이터센터 환경 전반에 대한 가시성과 통합 관리를 구현한다. 특히, 슈나이더 일렉트릭의 DCIM 솔루션이 제공하는 실시간 모니터링, 데이터 기반의 시뮬레이션과 최적화, 공조장치의 최적화된 운영을 위한 다이내믹 쿨링 컨트롤 등은 새로운 고효율 데이터센터 구축 뿐 아니라, 기존의 데이터센터에서도 큰 효과를 기대할 수 있으며, ROI 분석 리포트를 통해 효과를 수치로 확인할 수 있다.

슈나이더 일렉트릭의 DCIM 솔루션이 제공하는 ‘쿨링 옵티마이즈(Cooling Optimize)’는 데이터센터의 냉방에 사용되는 에너지를 꼭 필요한 곳에 필요한 만큼만 사용할 수 있도록 해, 데이터센터의 에너지 효율을 극대화하고 운영 비용을 최적화할 수 있게 한다. 이 솔루션은 데이터센터의 주요 지점들과 항온항습기 시설 등에 센서와 제어기를 설치하고, 센서를 통해 수집된 실시간 정보를 기반으로 필요한 곳에 필요한 만큼의 냉방을 적용해 에너지 효율을 최적화한다. 이 기술은 모든 항온항습기에 적용 가능하며, AI 기반의 엔진을 통해 지속적으로 운영이 최적화되어, 에너지 소비를 줄이면서도 핫스팟은 최대 98%까지 제거할 수 있다.

이 ‘쿨링 옵티마이즈’는 기존의 운영 환경에 그대로 적용하더라도 어느 정도 효과를 거둘 수 있지만, 기존 시설 구성의 최적화를 통해 효과를 극대화할 수 있다. 예를 들면, 기존의 공조 시설에서 팬의 수와 위치를 조절하고, 기존 설정 온도보다 더 높은 온도에서도 별 문제 없는 서버들이 있는 위치는 정책적으로 냉방을 줄이고, 부하가 심하거나 특별한 운영 환경이 필요한 특정 위치에는 전용 쿨링 시설을 설치하는 등으로 큰 폭의 효율 개선이 가능할 것이다. 이 때, 슈나이더 일렉트릭의 ‘에코스트럭처 IT 어드바이저’ 같은 도구들은 기존에 설치된 자산 정보와 운영 정보를 기반으로 최적화를 위한 배치 변화, 온도 설정 변화 등을 사전에 시뮬레이션하고, 최적의 배치와 운영 설정을 결정할 수 있게 돕는다.

이렇게 기존 환경의 분석과 시뮬레이션을 거쳐 구축된 쿨링 옵티마이즈 시스템은, 지속적으로 수집되는 데이터들을 기반으로 머신러닝 모델을 통해 IT 부하의 발열과 냉방 영향력에 대해 스스로 학습하고, 이를 기반으로 지속적으로 설정을 최적화하게 된다. 그리고 데이터센터의 운영자는 현 상황을 직관적으로 확인할 수 있는 대시보드와 함께 항온항습기의 용량, 성능 및 운영시간 분석, 데이터센터의 온도 유지 상태와 에너지 절감, 각 랙 별 온도 변화 및 트렌드 분석 등을 리포트 형태로 확인할 수 있다. 이와 함께, 슈나이더 일렉트릭은 데이터센터의 항온항습기 운영과 에너지 사용을 분석 및 시뮬레이션 하여 쿨링 옵티마이즈 무상 ROI 분석 레포트를 제공하며, 데이터센터 에너지 효율 향상을 위한 전문 컨설팅도 제공하고 있다.

▲ 쿨링 옵티마이즈의 실제 도입 사례에서는, 큰 폭의 에너지 절감 효과와 빠른 투자회수 기간이 인상적이다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

▲ 데이터센터를 위한 에코스트럭처 플랫폼은 데이터센터 운영 전반의 통합을 위한 유연성과 확장성을 제공한다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

슈나이더 일렉트릭의 DCIM(Data Center Infrastructure Management) 솔루션은 다양한 적용 사례와 수상 실적 등을 통해, 시장에서 선도적인 위치에 있는 것으로 평가받고 있다. 특히 슈나이더 일렉트릭의 ‘쿨링 옵티마이즈’ 솔루션은 전 세계에서 225개 이상의 레퍼런스와 함께, 도입 후 연간 250억원 이상의 비용 절감 효과를 제공하고 있다. 대표적으로, 일본의 대형 통신사의 도입 사례에서는 데이터센터 2곳에서 연간 7억 쿨링 에너지를 절감했고, 미국의 대형 통신사는 24개의 데이터센터에 솔루션을 도입해 연간 55억 kWh를 절감하는 효과를 거둔 바 있다. 뿐만 아니라 국내 대기업 데이터센터 및 대형 IDC에도 적용돼 에너지 절감 효과를 입증했다.

뉴질랜드의 대형 통신사에서 데이터센터에 이 ‘쿨링 옵티마이즈’를 도입한 사례 또한 흥미롭게 살펴볼 만 하다. 300개 랙 규모로 500KW 정도의 IT 부하, 냉방 설계 용량 1,250KW 정도로 구성된 이 데이터센터에서, ‘쿨링 옵티마이즈’의 도입은 초기에 37%의 쿨링 절감 효과를 거두고, 이후 지속적인 개선 작업을 통해 66%의 쿨링 에너지 절감 효과를 거두었으며, 2년 정도만에 투자 비용을 회수할 수 있었다. 이 사례에서는 랙 별 온도센서 등 총 402개의 센서와 항온항습기 컨트롤러를 사용해 쿨링을 최적화한 결과, 최종적으로는 총 27개의 항온항습기 중 13대를 끄고도 안정적인 운영이 가능한 환경을 구현했으며, 이는 도입 전 ROI 리포트로 예측한 것보다도 뛰어난 성과를 거둔 것이였다.

한편, 에너지 효율적인 데이터센터를 구축하는 데 있어, 슈나이더 일렉트릭의 특별한 경쟁력으로는 데이터센터를 구성하는 모든 요소에 대한 폭넓은 ‘전문성’과 이를 솔루션으로 구성하는 데서의 ‘유연성’이 꼽힌다. 특히, 슈나이더 일렉트릭의 ‘에코스트럭처 IT’ 플랫폼과 생태계는 데이터센터 생애 주기의 시작부터 끝까지 모든 단계에서 뛰어난 전문성을 가장 유연하게, 고객에 가장 적합한 형태로 제공할 수 있다. 이를 통해, ‘쿨링 옵티마이즈’ 등 이미 다양한 사례로 검증된 솔루션을 실제 사용 환경에 맞게 최적화해 도입, 운영하면서 운영 효율을 높이고, 고객의 경쟁력과 지속 가능성을 극대화할 수 있도록 돕는다.

향후 더욱 고도화될 디지털화의 여정에서, 데이터센터의 수요 또한 더욱 높아질 것이다. 하지만 앞으로의 디지털 기술을 통한 세상의 효율 향상이 지속 가능하기 위해서는, 이를 위한 데이터센터 인프라 또한 더욱 높은 수준의 효율을 달성해야 한다. 이에, 데이터센터 전반의 에너지 효율을 높이는 것은 기업에 있어 비용 경쟁력 강화 측면 뿐 아니라, 기업과 사회의 장기적인 지속 가능성을 위해 지금 당장 나서야 할 중요한 전략적 당면 과제가 되었다. 그리고, 이러한 경쟁력 강화와 지속 가능성을 위한 여정에 있어, 슈나이더 일렉트릭과 DCIM 솔루션은 기업이 앞으로 가야 할 여정을 제시하고, 이를 가장 효율적으로 갈 수 있도록 지원하는 가장 훌륭한 동반자가 될 것으로 기대된다.


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