기고. 네트워크 타임즈. 2회 : 차세대 데이터센터의 구현

차세대 데이터센터 차세대 데이터센터, 효율적 설계·운영 필수
인프라·시스템 레벨의 효율 절감 중요 … 핫 아일·콜드 아일 배열 등 살펴야

이번 호에서는 최근 호스트웨이IDC의 데이터센터 리모델링의 배경과 당시 사용됐던 솔루션을 바탕으로 인프라설비뿐만 아니라 시스템 레벨에서의 효율을 위한 몇 가지 방법을 체크해보고자 한다. <편집자>


연재순서
1회 : 차세대 데이터센터가 갖춰야 할 점 및 방향
2회 : 차세대 데이터센터의 구현(이번호)

박흥배 // 호스트웨이IDC 센터장

전통적인 방식의 데이터센터의 문제점을 아래와 같이 언급할 수 있을 것이다.

· 아웃소싱, 아웃태스킹 증가로 인한 IDC의 수요 증가, 언제 얼마나 많은 IT자원을 보유한 입주사의 신규/추가 입주 요청이 있을지 알 수 없음 - IT자원 수요증가의 불확실성
· 미래를 예측하기 어려운 상태에서 이러한 요청에 대응하기 위해서는 미래의 기반설비 용량에 대해 정확히 예측해야 하나 이는 적지 않은 노력을 들여야 하고, 실제 기반설비의 증설은 신규/추가 입주를 위해 요구되는 시점보다 장기간의 구축 시간을 필요로 하여 구축 시간이 유치계약 자체의 성패를 가름하는 요소가 되기도 함
· 정확한 예측이 가능하다 하더라도 현재 상면 단위의 일률 과금 체계는 부하밀도가 높은 IT자원을 운용하는 입주사에게 보다 유리한 구조임.
· IT 자원의 전력/냉방 부하 밀도의 증가 추세에 적절히 대응하기 어려워 고부하 밀도의 IT 자원 도입이 일반화되면 부하밀도의 공급 문제가 IDC 운영에 막대한 영향을 미칠 수 있음

전통적인 방식의 데이터센터의 물리적인 요건 중 항온항습 용량 산정 시 <표 1>을 참조할 수 있다. 물론, 이 방법은 현재에도 사용되고 있으며, 이를 기반으로 전체 냉각설비의 용량을 산정하는데 중요한 요소인 것이 틀림없다. 여기서 소요면적 기준 용량 산정 시 장비 배치 밀도에 따라 용량산정이 변동될 수 있음에 주의해야 한다.

전 통적인 방식의 데이터센터를 설계할 때는 IT수요에 대한 예측자체가 어려울 뿐더러, 단위면적당 열 밀도가 현저하게 증가되면서, 더 이상 <그림 1>의 ②와 같이 평균의 개념에서의 냉각방식으로는 단위면적당 열 밀도가 높은 구역의 발열을 해결할 수 없게 되고, 이로 인해 핫스팟과 같은 현상이 발생하고 있는 것이다. 핫스팟은 주로 랙의 상부 혹은 후면에 나타나며, 냉각된 공기가 제대로 공급되지 못할 경우에는 뜨거운 공기가 계속 재순환돼 온도가 점점 올라가는 악순환이 일어나기도 한다.

다음의 <그림 2>를 살펴보자. 2부를 전력부하와 항온항습 용량 산정으로 시작하게 된 이유가 설명이 된다.
< 그림 2>는 데이터센터에서 사용되는 전력의 유형을 잘 표현해주고 있다. 소분류로 6가지의 대표적인 부하들을 명시하고 있고, 이들을 다시 크게 두 가지로 나누면, 전력, 항온항습설비와 같은 인프라를 위한 부하와 통신, 서버 부하로 나눌 수 있으며, 이들은 각각 50:50의 비율을 보이고 있음을 알 수 있다.

사이트 인프라스트럭처 설계 ‘중요’
앞으로 열거하게 될 사항들은 데이터센터 전력사용의 50%를 차지하고 있는 사이트 인프라스트럭처(Site infrastructure)에 대한 내용이 될 것이다.
물 론 데이터센터 전체의 효율 면에서는 통신, 서버부하인 50%에 대한 운영효율도 함께 높이는 것이 가장 최상의 방안이 되겠지만, 일반적인 데이터센터의 경우 인프라의 운영과 서버시스템의 운영이 인프라 제공 사업자와 고객으로 분리돼 있는 경우가 대부분이므로, 최상의 결과를 가져오기 위해서는 이 두 주요 운영자가 함께 노력해야 할 것이다.
먼저 대단위 냉각방식의 변화 없이 핫스팟을 해결하기 위한 방법이 소개되고 있다.

<그림 3, 4>와 같이 서버시스템의 프론트와 리어(Rear)를 서로 마주보도록 배치되는 형태, 그 동안 수차례 언급되었고, 그 효율에 대해서는 이미 검증된 상태이다. 여기서 추가로 고려해 볼 것은,

· 랙과 천정 사이의 높이를 최대한 줄여서 핫 아일(aisle) 더운 공기가 랙의 상부를 통해 콜드 아일로 전달되는 현상을 최소화하는 것이다.
· 액세스 플로어의 높이는 아래를 참고해, 높여서 설계할 수 있도록 한다.
· 열 손실을 최소화하고, 냉각 효율을 최대화하기 위해 콜드 아일을 콘테인먼트(Containment)하는 방법도 고려될 수 있다.

● 블랭크 패널

핫 아일 - 콜드 아일의 개념은 차가운 공기와 더운 공기를 철저히 분리함으로써 고밀도 장비 환경하에서 효율이 높은 냉방이 가능하도록 하기 위함이며, 이런 솔루션의 효과가 배가 되기 위하여 아래 그림과 같이 더운 공기와 차가운 공기가 만날 수 있는 지점을 철저히 차단하는 것이 상당히 효과가 높게 나타난다.
추가로 이 방법 외에도 차가운 공기와 더운 공기가 순환되지 못하도록 하는 방안을 지속적으로 검토하는 것이 필요할 것이다.

● 액세스 플로어의 조정
< 표 1>에서 우리는 이미 ‘장비 배치밀도에 따라서 용량이 달라질 수 있다’는 문구를 확인했다. 즉 용량산정 시 배치 밀도에 근거한 발열량을 기준으로 공기유동을 다이나믹하게 조절할 필요성이 여기에 있다. 이는 데이터센터의 열 해석을 통해서 해결할 수 있으며, 전통적으로는 위치별로 온도와 유량을 실측했으나 이는 측정에 많은 시간과 노력이 소모되었으며, 측정값을 바탕으로 한 개선안에 대해서는 예측이 불가능하다는 단점이 있었다.
이런 점을 해결하기 위해서 다수의 열 해석 프로그램이 운영되고 있으며 호스트웨이IDC의 데이터센터에는 IBM의 열해석 솔루션인 CFD 시뮬레이션이 적용됐다.

● CFD
CFD(Computational Fluid Dynamics: 전산유체역학)는 공기나 물 등 유체의 복합한 유동에 대한 거동을 컴퓨터를 이용해 해석하는 유체역학의 한 분야이며, 이를 통해 시간과 노력을 대폭 절감하면서 현상과 대안에 대한 예측을 가능케 한다.

<그림 6>는 CFD 시뮬레이션 결과를 보여주며, CFD S/W에 아래와 같은

· 레이아웃
· 이중마루의 다공판 위치 설정
· 랙별 발열 특성가정
· 냉각시설 용량 및 특징
· 유동상의 장애요소

내 용을 입력하면, <그림 6>과 같이 과열 랙이 발생하는지를 포함, 이중마루 내의 압력/풍속을 분석하며, 각 위치별 온도/풍속을 예측할 수 있게 된다. 이런 시뮬레이션을 통해서 예측 가능한 범위에서 액세스 플로어의 개구율을 조절하고, 부하를 재 배치 한다든지 하는 등의 해결 방법을 보다 쉽게 찾을 수 있다.

항온항습 설비의 에너지 효율
< 그림 7>은 그림 3의 핫 아일 배열과 동시에 동절기 실외(서울, 경기 지역을 기준으로 11월 ~ 3월)의 차가운 공기를 전산실에서 사용할 수 있도록 하는 방법으로, 실외의 공기가 기준 온도 이하일 경우 차가운 공기를 끌어들여 전산실로 공급해 차가운 공기를 생산하는데 소비되는 전력을 절감할 수 있는 설비다.

외국에는 프리쿨링에 대한 개념이 1990년대부터 소개됐고, 2차 산업에 이어서 데이터센터에 접목돼 외부온도에 따라 냉각방식이 변경되는 유동형으로 운영되고 있다.
지 금까지 고밀도화돼 가는 IT전력(서버 시스템)의 효율적인 냉각을 위해서 랙의 배치를 변경하고, 항온항습부분에서의 에너지 효율 및 절감에 대해서 알아봤다. 서두에 언급했던 대로 데이터센터 사이트 인프라스트럭처 부하의 전력부분에 대해 알아보자.

일 반적으로 데이터센터를 구성하는 전력라인은 위의 그림과 같이 변전소로부터 공급되는 전력을 UPS를 거쳐 PDU에서 서버 전력으로 분할 공급되는 것이 일반적이다. 데이터센터의 안정성을 유지하기 위해서 UPS는 데이터센터 전력 부하에 여유부하를 고려한 N과 예비 1(혹은, N*2)로 구성된다.

< 그림 8, 9>는 (동작방식이나 구성에서의 차이점은 논의하지 않겠다) UPS를 구분하는 방법 중에서 구조에 의한 방법으로 중앙집중형의 일체형이나 모듈형이냐의 차이라고 할 수 있다. 큰 맥락에서의 전원공급방식에서는 차이가 없으며, 단지, 대용량의 UPS 대신 여러 개의 소용량의 UPS가 각각의 분리된 구역을 담당하는 방식이다. 각각의 방법은 장단점이 서로 존재할 수 있기 때문에, 호스트웨이IDC에서 도입한 모듈식 UPS의 도입이유에 대해서 설명하고, UPS장비의 효율 등은 장비에 따라서 차이가 있을 수 있으므로 제외하겠다.

· UPS의 고장, 장애, 작업자의 실수 등으로 인한 전원 장애 시 해당 UPS가 담당하고 있는 구역의 장애로 한정될 수 있음
· 초기 구입시 비용부담이 적고, 부하의 증가량에 따라 UPS를 쉽게 추가할 수 있음
· 사용할 부하만큼 구매하여 사용할 수 있으므로, 대용량 UPS구입시 현재 사용하지 않는 부하량 만큼의 유지보수비용이 없음.