초거대 기업들의 친환경 데이터센터를 향한 탈바꿈 – 윤동희 기자

Fig. 1 접근 방식에 따른 전세계 IP 데이터 이동량 추정 (1)

Information communications technology, 일명 ICT로 불리어지는 산업의 성장이 급격하게 이루어지며, 우리가 사용하는 데이터의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다. 1987년에는 불과 2 TB 분량의 데이터가 오갔다면, 1997년에는 60 PB(1015), 2007년에는 50 EB (1018), 2017년에는 1.1 ZB (1021), 마침내 2021년에는 3.4 ZB(1021), 2022년에는 4.2 ZB(1021)의 데이터가 인터넷에서 오갔다. (1)(2)(3) 데이터 센터와 네트워크, 개별 기기들의 에너지 사용량이 크게 늘었음은 당연한 일이다. IEA에 따르면 2020년 기준 데이터 센터에서 사용하는 전기에너지는 그 자체만으로 200~250TWh로 추정되어 전체 전기 소비량의 0.9-1.3%를 차지할 정도이다. (가상 암호화폐 채굴(동일 년도 100-140TWh 예측)을 제외한 수치임.) (3) 이를 온실가스 배출량(global greenhouse gas emission, GHGs)로 환산하였을 때에는 전체의 2.1-3.9%를 차지할 정도로 큰 지분을 가지는 것이다. (4)

더군다나 데이터 네트워크 관련 서비스는 최근 들어 더욱 성장하는 중이다. Youtube와 Twitch, Netfilx와 같은 영상 스트리밍 서비스와, NVIDIA GeForece Now, Xbox Cloud Gaming과 같은 클라우드 게이밍 서비스의 등장과 더불어 가상/증강현실, 머신러닝, 블록체인과 같은 기술요소의 등장으로 데이터 소모량과 에너지 소모량 모두 증가할 것이 예상되고 있다. 그 중 머신러닝은 강한 강도의 컴퓨터 연산이 필요하면서도 관련 기술소요가 급격히 증가하고 있어, 앞으로 그 추이가 어떻게 나타날지 주목되고 있는 요소이기도 하다. 때문에 현재 전문가들은 언제까지 ICT 업계가 데이터 사용량의 증가에 대응하여 충분한 효율성을 확보할 수 있을지, 2050년까지 에너지 사용량/온실가스 배출량을 줄일 수 있을지 큰 불확실성을 가지고 있다며 많은 논의를 거치고 있는 상태이다. (1) ICT 관련 기업들은 이러한 불확실성에 선제적으로 대응하기 위하여 효율적이고 친환경적인 데이터센터 구축을 계획하고 있으며, 또 실행하고 있다. 운전효율 향상, 신재생 에너지의 사용, 폐열 재사용 등의 다양한 방법을 통하여 친환경적인 데이터센터를 구축하고자 하는 것이다.

Fig. 2 ICT 산업에서 사용하는 요소별 전기량(예측) (2)

가장 먼저 살펴볼 것은 데이터 센터가 가지는 운전효율과 그 정의이다. Power Usage Effectiveness, PUE란 데이터센터가 사용한 에너지 총량을 해당 시설 내 IT 장비가 사용하는 에너지로 나눈 것이다. PUE 지수가 1과 가까우면 가까울수록 높은 성능을 가진 것으로, 1.2 이하의 값을 가진 대규모-고집적, 고성능의 서버를 하이퍼스케일(Hyperscale) 데이터 센터라고 한다. 구글에 따르면 구글이 운영하는 데이터 센터의 PUE의 가중평균은 1.1에 불과하다. (Google Data Centers에서 매년 각 데이터센터의 분기별 PUE를 공개하고 있음.) 이는 기존 구형 데이터 센터의 PUE가 2.0에서 3.0에 달하는 것에 비해 놀라운 수치일 뿐만 아니라, 그 달성 과정에 있어 DeepMind를 활용하였다는 면에서 많은 놀라움을 불러일으켰다. 구글에 따르면 데이터 센터 내 수천개에 달하는 데이터들, 일컫자면 온도, 전력사용량, 펌프 속도, 온도 설정, 습도 등을 활용하여 2년간의 연구를 진행하여 냉방에너지의 40%절감, 당시 전체 PUE의 15% 절감을 이룰 수 있었다고 한다. (5)

Fig. 3 구글이 자체공개한 모든 자사 서버에 대한 PUE 가중평균 지수와 고려사항(5)(6)

Fig. 4 구글 DeepMind 머신러닝을 활용한 자사 데이터센터의 PUE 변화 추이 예시(5)

메타 또한 자사 데이터 센터의 PUE 수치를 공개하며 가중평균이 1.09에 불과하며 이는 업계 평균인 1.57에 비해 약 40%가량 낮은 수치임을 주장하였다. (7)(8) 메타의 해당 보고서에는 자사 데이터 센터들이 모두 LEED Gold certification을 만족하는 높은 기준을 달성하도록 하였음을 강조하였다. 메타가 이 과정에서 적용한 기술요소로는 Autoscale 기술이 있겠다. 접속자 수에 따라 기존 서버의 가동부하를 높이고 나머지 유휴 상태의 서버는 꺼져있도록 하여 전력 사용량을 절감하는 이 기술은 기존에 비해 전력사용량을 약 10~15%절감하였다고 보고되었다. (9) 심지어 아마존은 자체 칩셋을 사용하여 컴퓨팅 연산에 사용되는 에너지를 줄이고자 했다.

Fig. 5 Meta가 밝힌 연간 PUE와 의 Dynamic sizing/autoscaling (7)(9)

높은 수준의 PUE를 달성하기 위해서는 높은 효율의 냉방 방식이 필수적이다. 기존 구형의 서버들은 일반 사무실과 같이 에어컨과 같은 냉방장치를 활용하여 냉방을 진행하였다면, 이제는 외부의 찬 바람을 이용하여 서버실 온도를 냉각하는 외기공조 방식이 도입되고 있다. 또 다른 예시로는 마이크로소프트 Azure가 바다속에 서버를 설치하는 Project Natick이 있겠다. 50%의 인구가 해안가 160mile에 위치한 만큼 가까운 곳에 에너지를 절약할 수 있는 방식으로 데이터센터를 설치하는 방안을 연구한 것이다. (10) 메타의 경우 높은 냉방 효율을 달성하기 위해 State Point Liquid Cooling (SPLC) 시스템을 개발하여 직접식 외기냉방(Direct Evaporative Cooling)을 통해 더운 기후의 지역에서는 20%, 추운 기후의 지역에서는 90%의 물사용량을 절감, 에너지 사용량 또한 줄일 수 있었다고 밝혔다. (11)

국내에서 외기를 활용하여 높은 수준의 PUE를 가졌으며 효율적인 냉방방식을 확보한 대표적인 데이터 센터로는 네이버의 ‘데이터센터 각(GAK)’이 있다. 춘천에 위치하여 LEED에서 최고등급인 LEED -NC Platinum V2009를 인증받은 데이터 센터 각은 평균 PUE 1.1, 최소 1.09를 달성하였다고 발표된 바 있다. 적용된 기술의 경우 속초의 차가운 공기와 지하수를 이용하여 냉방을 하도록 하는 Air Misting Unit (AMU, 외기를 이용한 직접 냉방)와 Naver Air Membrane Unit (NAMU, 찬물이 흐르는 벽에 바람을 통화시켜 기화 작용을 유도) 등이 있다. (12)(13) LG CNS의 부산 글로벌 클라우드 데이터센터의 경우 최초로 미래창조과학부가 관리하는 그린데이터 센터 인증(A+++)을 받았으며, 글로벌 데이터센터 분야에서 최고 권위상인 ‘Brill Awards’을 국내 최초로 수상하기도 하였다. 브릴 어워즈는 국제 데이터센터 인증기관인 ‘Uptime Institute’가 매년 선정하는 상이다. 해당 데이터센터에 적용된 기술/특허로는 Built-up 외기 냉방 시스템, 서버 열 배출을 위한 데이터센터 굴뚝 ‘풍도’, 빙축열/냉동기 혼합운전 시스템 등이 있었다. (14) (참조 : 삼성 SDS의 경우에도 On Optimizing Operational Efficiency in Storage Systems Via Deep Reinforcement Learning과 같은 논문을 발표하는 등 지속적인 데이터 센터 개선 노력 및 기술 개발을 하고 있다.)

Fig. 6 메타의 SPLC 기술 개요 (11)

Fig. 7 LG CNS 부산센터 Built-up 외기냉방 시스템 구조 (14)

데이터 센터들이 소모하는 전기에너지를 신재생 에너지로 모두 채우겠다는 계획 또한 구체적으로 등장하고 있다. 현재 아마존, 애플, 메타, 알파벳(구글), 마이크로소프트 모두 아래 표와 같은 신재생 에너지에 대한 계획을 가지고 있다. 이중 구글은 전력 수급계약 (PPA, Power purchase Agreement)을 통하여 2017년부터 100%신재생 에너지 포트폴리오를 확보한 바 있다. 마이크로소프트의 경우 PPA와 신재생에너지 공급인증서 (REC, Renewable Energy Certificates)를 통해 탄소 배출량을 100% 상쇄/줄이는데 성공했으며, 2025년까지 PPA 없이도 모두 신재생 에너지를 활용하여 필요에너지를 충당하겠다는 계획이다. 나아가 애플은 2018년도에 100% 신재생 에너지를 달성하였으며, 협력업체들 또한 같이 달성하도록 한다는 계획이다.

표 1 ICT 업계의 신재생 에너지에 대한 계획 (15)

실제로 신재생 에너지를 활용하기 위한 과정에서 특정 기업 X의 운용 환경에 대한 연구가 다수 등장하고 있다. 다음은 그중 하나로, 신재생에너지 생성 설비규모, 에너지 저장방식/용량, 서버 자체 크기 및 운용방식(Scheduling shifts of computation) 세가지에 대하여 내제 에너지와 소모에너지를 모두 고려하여 최적의 설비 투자 및 전반적인 운용방안에 대한 조언을 주는 프로그램이다. (16) 이는 메타와 하버드, 스탠포드, 팬실베이니아 대학교가 함께 연구한 결과로 신재생 에너지 사용에 있어 구체적인 연구가 있었던 만큼, 앞으로 거대 기업들이 100% 신재생 에너지로 포트폴리오를 채우기 위하여 얼마나 노력하고 있는지 알 수 있겠다.

Fig. 8 데이터센터들의 탄소 측정을 위한 프레임워크, Carbon Explorer의 구조

물론 현재 위 기업들이 PPA나 REC 없이 달성한 재생에너지 지분을 볼 때, 투명하지 않거나, 기대에 못 미치는 경우도 있다. 그러나 구글이나 애플과 같은 일부 초거대 기업들이 지금까지 명확한 목표를 달성하였으며, 앞으로 어떠한 기대치를 앞으로 가질지에 대한 논의가 충분히 진행된 것을 볼 수 있었다. 이에 발맞추어 ICT 산업에 어떠한 규제를 통해 추가적인 환경에 대한 조치를 취할지 과도기적인 시기에 있는 지금, 먼저 행동하여 불필요한 손해를 보지 않았으면 한다.

수도권 제 2권역 윤동희 기자 작성

References

1. IEA, “Digitalisation and Energy”, IEA Paris (2017), Fig. 5.4, https://www.iea.org/reports/digitalisation-and-energy
2. Nicola Jones. "Data centres are chewing up vast amounts of energy." Nature 561.5 (2018).,
3. IEA, “Data Centres and Data Transmission Networks, IEA Paris (2022), https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks
4. Freitag, Charlotte, et al. "The real climate and transformative impact of ICT: A critique of estimates, trends, and regulations." Patterns 2.9 (2021): 100340.
5. Rich Evans and Jim Gao, “DeepMind AI reduces energy used for cooling Google data centers by 40%”, Google The Keyword Company news (2016), https://blog.google/outreach-initiatives/environment/deepmind-ai-reduces-energy-used-for/
6. Google Data Centers, ‘What do we include in our calculations’,  https://www.google.com/about/datacenters/efficiency/
7. Meta, “Meta 2021 Sustainability Report (For a Better Reality)”, Meta (2022), https://sustainability.fb.com/data-centers/
8. Uptime Institute, “Uptime Institute Global Data Center Survey 2021”, (2022), https://uptimeinstitute.com/resources/asset/2021-data-center-industry-survey
9. Daniel Boeve et Al.,” Throughput autoscaling: Dynamic sizing for Facebook.com”, Enigeering at Meta (2020), https://engineering.fb.com/2020/09/14/networking-traffic/throughput-autoscaling/
10. John Roach, “Microsoft finds underwater datacenters are reliable, practical and use energy sustainably”, Microsoft : Innovation Strories(2020), https://news.microsoft.com/innovation-stories/project-natick-underwater-datacenter/
11. Veerendra, Mulay, “StatePoint Liquid Cooling system: A new, more efficient way to cool a data center”, Engineering at Meta (2018), https://engineering.fb.com/2018/06/05/data-center-engineering/statepoint-liquid-cooling/
12. 네이버, 데이터센터 각, https://datacenter.navercorp.com/tech/gak-chuncheon
13. 연창근, 이진영. "네이버 데이터센터 ‘각’." 건축환경설비 10.3 (2016): 51-57.
14. LG CNS, “데이터센터의 진화를 꿈꾸다, LG CNS 데이터센터”, (2015) https://blog.lgcns.com/971
15. Clark Butler, “Tech Giants’ Investments in Renewable Power Purchase Agreements Lead the Way”, IEEFA(Institute for Energy Economics and Financial Analysis) (2020)
16. Acun, Bilge, et al. "Carbon Explorer: A Holistic Framework for Designing Carbon Aware Datacenters." history 1.2,000 (2020): 2-500.