[이지수 소장의 슈퍼컴퓨터 이야기](3)슈퍼컴퓨터는 어떻게 더위를 이기나?

슈퍼컴퓨터는 어떻게 더위를 버틸까?

6월 중순에 시작되어 지루하게 이어진 장마가 끝나가고 있다. 올해는 장마전선이 중부지방에 집중되어 남부지역은 폭염이 이어지는 '반쪽장마'의 모습을 보였다. 또한 이번 주부터 서울의 기온은 33도, 대구는 36도까지 올라가면서 올여름 폭염이 절정에 이를 것이라고 한다.

이러한 폭염에 사람의 업무효율이 급격하게 떨어지는 것처럼 컴퓨터도 적절한 온도범위 내에서만 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 예를 들어 인텔의 최신 하스웰 CPU가 정상적으로 작동하기 위해서는 표면온도를 73도 이하로 유지해주어야 한다. 반면에 컴퓨터에는 열을 발생하는 부품들이 존재한다. 특히 CPU 및 그래픽카드 등의 집적회로는 그 집적도가 높아가면서 열발생의 주원인이 되고 있다.

그렇다면 이렇게 열을 발생하는 부품들로 구성된 컴퓨터 내부를 적정온도로 유지하는 방법은 무엇인가? 일반 컴퓨터에서는 CPU 등 열발생의 주범에 작은 선풍기 모양의 쿨러를 부착하여 발생되는 열을 컴퓨터 밖으로 밀어내는 방법을 사용한다. 그렇다면 첨단기술의 집합체인 슈퍼컴퓨터는 어떤 방법을 사용할까? 정답은 집적도 등 상황에 따라 '그때그때 달라요'다.

첫 번째 방법은 일반 컴퓨터와 유사한 공랭식이다. 예를 들어 50만달러(약 5억6천만원)의 파격적 '초저가' 슈퍼컴인 크레이사의 XC30-AC는 최대 128개의 CPU가 탑재돼 2만5천W의 전력을 소모한다. 이 컴퓨터의 하단부에는 일반 컴퓨터의 쿨러를 확대한 모습의 블로워(blower)가 장착되어 있어서 아래에서 빨아들인 찬 공기를 위로 보내 내부를 식히고 더운 공기를 위로 내뿜는다. 이렇게 발생한 더운 공기를 냉각하기 위하여 전산실은 공기조화기를 사용해 '시원한 전산실'을 유지하여야 한다.

                    <크레이 저가형 슈퍼컴퓨터 XC30-AC, 아래에서 찬 공기를 빨아들여 내부를 냉각시키고 위로 더운 공기를 내뿜는다(출처:크레이)>

이보다 더 효율적인 방법으로 수냉식이 있다. 그 첫째는 간접수냉식으로 컴퓨터 내부의 열을 밖으로 배출하는 데에는 위와 동일한 공랭식을 사용하지만 배출된 열을 식히기 위해서는 수냉식의 열교환기를 사용한다.

예를 들어 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅연구소에 구축된 타키온-2 슈퍼컴퓨터의 뒷면에는 'Chiller Door'라는 장비가 장착되어 있다. 저온의 액체를 사용하여 냉각되는 이 장비는 컴퓨터에서 배출되는 더운 공기를 시원한 공기로 변환시키는 역할을 한다. 한마디로 문 모양의 에어컨이라고 할 수 있다. 간접수냉식의 장점은 컴퓨터에서 발생되는 열을 처리하기 위해 전산실 전체를 낮은 온도로 유지할 필요가 없어 효율이 높다는 것이다. 실제로 타키온-2가 위치한 전산실은 시원하기 보다는 '따뜻한 전산실'에 가깝다.

<타키온-2 슈퍼컴퓨터:뒷면에 장착된 Chiller Door는 컴퓨터에서 발생하는 더운 공기를 차가운 공기로 바꿔준다(출처:한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅연구소)>

두 번째 방법은 직접 수냉식이다. 즉 열을 발생하는 부품에 수냉식 냉각장치를 부착하여 발생되는 열을 직접 제거하는 방법이다. 예를 들어 일본 최고의 슈퍼컴퓨터인 'K 컴퓨터'의 내부를 살펴보면 열발생의 주원인인 CPU 등에 냉각장치를 부착하고 저온의 액체를 순환시켜 그 온도를 30도 이내로 유지하고 있다.

이를 위해서는 복잡한 시설이 필요하지만 그 효율성은 매우 뛰어나다. K 컴퓨터의 경우 이를 통하여 약 12%의 전력을 절약할 수 있었다. 이를 미미한 효과로 생각할 수도 있지만 시스템의 전력소모가 13MW임을 감안하면 무려 1.5MW의 전력소비를 감소시킨 효과이다.

최근에는 직접 수냉식의 효율을 개선하기 위해 냉각수의 온도를 상온 정도로 높이는 '웜워터 냉각방법(Warm Water Cooling)'이 적용되고 있다. 이를 적용하면 상온의 냉각수를 사용할 수 있어 효율성을 제고할 수 있다는 것이다. 실제로 독일의 라이브니츠 슈퍼컴센터는 섭씨 34도의 온도를 냉각수로 사용하여 에너지 비용을 40% 이상 절약하였다.(아래 사진 설명은 K컴퓨터의 시스템 보드, 열의 주원인인 CPU에 수냉식 장비를 부착해 냉각의 효율성을 높였다. 출처:후지쯔)

 이렇게 최첨단 냉각기술이 적용되고 있지만 지금도 보다 효율적인 방법을 개발하는 노력들이 활발하게 진행되고 있다. 한 가지 예로 컴퓨터 보드를 비전도성 액체에 담가 냉각효율을 극대화하는 침수냉각범(immersion cooling)이 개발되고 있다. 슈퍼컴에서 개발된 기술이 시간이 지난 후에 일반 컴퓨터에 적용된다는 사실을 생각하면 내 PC에 이러한 기술이 도입되는 시점은 언제일까?