AI, 액체 냉각 산업의 새로운 시대를 여는 길을 열다

1. 냉각기술 비교 및 ​​원리

액체 냉각 vs 공기 냉각
	공기 냉각	액체 냉각
열교환 매체	비행기	리퀴드
드라이브 구성 요소	부채	팬 제거
방열 용량	일반 방열 용량	좋은 열 분산
에너지 절약 및 소비 감소	PUE 값이 2 미만	PUE 값은 1.2 이내
노이즈	높은 소음	팬 제거, 소음 감소
공사비	캐비닛은 낮은 밀도로만 배치할 수 있으며, 캐비닛은 컴퓨터실의 넓은 공간을 차지하므로 전통적인 정밀 에어컨 및 냉난방 채널 설계가 필요합니다.	고밀도 캐비닛 레이아웃 설계를 도입하여 점유 컴퓨터실 면적을 줄이고, 낮은 PUE는 전원 공급, 분배 및 백업 인프라의 규모가 작다는 것을 의미합니다.
사이트 선택	환경 기후 및 역률에 대한 높은 요구 사항	대기질, 기후, 에너지 정책에 제약받지 않고 전 세계 어디에서나 사용 가능

1.1 공기 냉각 기술

공기 냉각 시스템 원리 다이어그램

공기 냉각 기술 데이터 센터의 주류 냉각 기술입니다. 공랭 라디에이터의 방열 원리는 발열체에서 생성된 열을 발열체와 밀접하게 접촉하는 금속 방열판(컴퓨터의 경우 CPU, GPU 및 기타 반도체 칩)을 통해 열 용량과 방열 면적이 더 큰 방열판으로 전달한 다음 팬의 분산 효과를 사용하여 공기가 방열판 표면을 빠르게 통과하도록 하여 방열판과 공기 사이의 열 대류를 가속화하는 것입니다. 즉 강제 대류 방열입니다.

1.2 액체 냉각 기술

3가지 액체 냉각 기술의 비교
	냉각판 타입	침지형	스프레이형
비용	냉각판은 많은 사양이 요구되며, 대부분은 별도로 맞춤 제작해야 하며 비용이 비교적 높습니다.	중간 비용으로 더 많은 냉각수를 사용합니다.	기존 서버 및 캐비닛을 수정하여 필요한 장치를 추가하면 비용이 상대적으로 저렴합니다.
유지 보수성	우수한	가난한	중급
공간 활용	높음	중급	최고
호환성	마더보드와 칩 모듈에 직접 접촉이 없어 소재 호환성이 우수합니다.	직접 접촉, 소재 호환성 불량	직접 접촉, 소재 호환성 불량
설치의 용이성	서버의 원래 형태를 변경하지 않고 기존 서버 마더보드를 그대로 유지하여 설치가 간편합니다.	서버 마더보드의 원래 구조가 변경되어 재설치가 필요합니다.	서버 마더보드의 원래 형태를 변경하지 않으며 설치가 쉽습니다.
재활용 성	듀얼 회로 루프 순환을 사용하여 냉매의 2차 활용을 달성하고 운영 비용을 절감합니다.	운영 비용을 줄이기 위해 외부 냉각 장치를 순환합니다.	순환 펌프를 사용하여 자원 재사용을 달성하고 운영 비용을 절감하십시오.

액체 냉각 기술 냉각판, 침지 및 분무 유형을 포함합니다. 그 중 냉각판 액체 냉각 기술은 유지 관리성, 공간 활용 및 호환성 측면에서 강력한 적용 이점이 있지만 비용 측면에서 개별적으로 사용자 정의된 냉각판 장치로 인해 기술 적용 비용이 비교적 높습니다. 분무 액체 냉각 기술은 오래된 서버와 캐비닛을 변환하여 데이터 센터 인프라의 건설 비용을 크게 줄입니다. 다른 두 기술과 비교할 때 침지 기술은 유지 관리성과 호환성이 낮지만 공간 활용 및 재활용성 측면에서 성능이 더 뛰어나 데이터 센터의 에너지 소비를 줄입니다.

냉각판 액체 냉각 시스템의 원리 다이어그램

콜드 플레이트 액체 냉각은 비접촉 액체 냉각 기술입니다. 이 기술은 가열 장치의 열을 액체 냉각 플레이트(일반적으로 구리 및 알루미늄과 같은 열전도성 금속으로 만든 닫힌 캐비티)를 통해 순환 파이프라인에 둘러싸인 냉각 액체로 간접적으로 전달하고 냉각 액체를 통해 열을 제거합니다. 콜드 플레이트 액체 냉각 시스템은 주로 냉각 타워, CDU, 1차 및 2차 액체 냉각 파이프라인, 냉각 매체 및 액체 냉각 캐비닛으로 구성됩니다. 액체 냉각 캐비닛에는 액체 냉각 플레이트, 장비의 액체 냉각 파이프라인, 유체 커넥터 및 액체 분배기가 포함됩니다.

냉각판 액체 냉각 방열 원리:
1. 액체 냉각판은 칩에 접합됩니다.
2. 칩 장비의 열은 열전도를 통해 액체 냉각판으로 전달되고, 작동 유체는 CDU 순환 펌프의 구동으로 냉각판으로 들어간 후 향상된 대류 열교환을 통해 액체 냉각판에서 열을 흡수합니다.

단상 침지 액체 냉각 시스템의 원리 다이어그램

액체 침지 냉각은 접촉 액체 냉각 기술입니다. 이 기술은 냉각수를 열 전달 매체로 사용하고, 열 생성 장치를 냉각수에 완전히 침지시키고, 열 생성 장치는 냉각수와 직접 접촉하여 열 교환을 수행합니다. 침지 액체 냉각 시스템의 외부 측면에는 냉각탑, 1차 측 파이프 네트워크 및 1차 측 냉각수가 포함되고, 실내 측면에는 CDU, 침지 캐비티, IT 장비, 2차 측 파이프 네트워크 및 2차 측 냉각수가 포함됩니다. 사용 중에 IT 장비는 2차 측 냉각수에 완전히 침지되므로 2차 측 순환 냉각수는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 불소화 액체 등과 같은 비전도성 액체를 사용해야 합니다. 열 교환 과정에서 냉각수가 상이 변하는지 여부에 따라 단상 침지 액체 냉각과 2상 침지 액체 냉각으로 나눌 수 있습니다.

그 중 단상 침지 액체 냉각 기술의 2차측 냉각수는 열전달 매체로서 열전달 과정에서 온도 변화만 겪을 뿐 상변화는 없다. 이 과정은 전적으로 재료의 현열 변화에 의존하여 열을 전달한다.

2상 침지 액체 냉각 시스템

2상 침지 액체 냉각에서 열 전달 매체 역할을 하는 2차 냉각수는 열 전달 과정에서 상 변화를 겪고 물질의 잠열 변화에 의존하여 열을 전달합니다. 그 열 전달 경로는 기본적으로 단상 침지 액체 냉각과 동일합니다. 주요 차이점은 2차 냉각수가 침지 캐비티 내부에서만 순환하고 침지 캐비티의 상단은 기체 영역이고 하단은 액체 영역이라는 것입니다. IT 장비는 저비점 액체 냉각수에 완전히 잠기고 액체 냉각수는 장비의 열을 흡수하여 끓습니다. 증발로 생성된 고온 기체 냉각수는 밀도가 낮아 침지 캐비티 상단에 점차 모이고 상단에 설치된 응축기와 열 교환 후 저온 액체 냉각수로 응축된 다음 중력의 작용으로 캐비티 하단으로 다시 흘러 IT 장비의 방열을 달성합니다.

스프레이 액체 냉각 시스템의 원리 다이어그램

스프레이 액체 냉각은 칩 레벨 장치에 정밀하게 분사하고 냉각수를 중력이나 시스템 압력으로 연결된 열 생성 장치나 열 전도 요소에 직접 분사하는 액체 냉각의 한 형태입니다. 직접 접촉 액체 냉각 시스템입니다. 스프레이 액체 냉각 시스템은 주로 냉각탑, CDU, 1차 및 2차 액체 냉각 파이프라인, 냉각 매체 및 스프레이 액체 냉각 캐비닛으로 구성됩니다. 스프레이 액체 냉각 캐비닛에는 일반적으로 파이프라인 시스템, 액체 분배 시스템, 스프레이 모듈, 액체 반환 시스템 등이 포함됩니다.

분무 액체 냉각 시스템의 원리: 냉각수 분배 장치에서 냉각된 냉각수는 파이프라인을 통해 분무 캐비닛 내부로 펌핑됩니다. 캐비닛에 들어간 후 냉각수는 액체 분배기를 통해 서버에 해당하는 액체 분배 장치로 직접 들어가거나 냉각수는 액체 유입 탱크로 전송되어 고정된 양의 중력 위치 에너지를 제공하여 냉각수가 액체 분배 장치를 통해 분무되도록 구동합니다. 냉각수는 IT 장비의 발열 장치 또는 이에 연결된 열전도 재료를 통해 분무 및 냉각됩니다. 가열된 냉각수는 복귀 탱크를 통해 수집되어 다음 냉장 사이클을 위해 냉각 분배 장치로 펌핑됩니다.

1.3 랙 전원의 냉각 방법의 진화

냉각 방법의 진화 다이어그램

단일 캐비닛의 전력은 공랭의 한계를 초과하고, 액체 냉각이 일반적인 추세입니다. Vertiv 기술 백서에 따르면, 공랭은 일반적으로 20kW/캐비닛 미만의 전력 밀도에 적합하고, 액체 냉각은 20kW 이상에서 명백한 이점이 있습니다. 전력 모듈 및 네트워크 모듈과 같은 요소를 고려하지 않고, 6개의 AI 교육 서버를 단일 랙에 배치할 수 있다고 가정할 때, 단일 랙의 추정 전력은 37.8kW(전력 소모량이 2W인 700개의 CPU와 전력 소모량이 8W인 5600개의 GPU)에 도달할 수 있습니다. 캐비닛의 다른 모듈의 열 발산을 고려할 때, 단일 캐비닛의 실제 전력은 더 높을 것입니다. AI 교육 및 추론 서버 캐비닛의 경우, 단일 캐비닛의 전력은 공랭으로 커버할 수 있는 전력 밀도 범위를 초과했으며, 액체 냉각이 일반적인 추세가 되었습니다.

2. 냉각 방법의 진화 다이어그램

2.1 칩 전력 급증: 액체 냉각 시대로의 전환

공랭식에 비해 액체 냉각은 방열, 에너지 소비, 소음 및 유지 관리 비용 측면에서 더 많은 이점이 있습니다. 물의 열 용량은 공기의 4000배이고 열 전도도는 공기의 25배입니다. 동일한 유량에서 칩 온도를 더 효과적으로 낮출 수 있습니다. 동시에 액체 냉각 기술은 칩 표면을 고르게 덮고 시스템 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 액체 냉각 시스템은 열 발산을 유지하기 위해 낮은 팬 속도만 필요하므로 작동 중 공랭식에 비해 소음을 60% 이상 줄일 수 있습니다. 또한 쉽게 마모되는 부품이 없기 때문에 액체 냉각 시스템의 수명이 더 깁니다.

액체 냉각은 공기 냉각을 대체하여 최상의 선택이 될 것입니다. 공기 냉각을 위한 단일 캐비닛의 전력은 0-30kw이고 액체 냉각을 위한 단일 캐비닛의 전력은 30-200kw이며, 그 중 냉각판은 30-80kw이고 침지는 80-200kw입니다. 2024년 GTC 컨퍼런스에서 NVIDIA는 전력이 72kw인 NVL120 캐비닛을 출시했습니다. 단일 캐비닛의 전력이 지속적으로 상승하는 추세에 따라 공기 냉각은 점차 방열 요구 사항을 충족하지 못하고 액체 냉각이 주류가 될 것입니다.

2.2 세 번째 원동력: AI 서버의 부상으로 액체 냉각 솔루션이 더욱 비용 효율적이 됨

AI 컴퓨팅 파워 수요는 전체 서버 시장 출하량을 주도합니다. 2019년 이후, 우리나라의 서버 출하량은 꾸준한 상승 추세를 유지해 왔으며, 4.55년에는 2024만 대에 도달할 것으로 예상되며, 이는 전년 대비 1.3% 증가한 수치입니다. 2023년에는 고가 AI 서버의 보급과 일반 서버 업데이트 연기로 인해 글로벌 출하량이 감소할 것으로 예상되지만, AI 서버 시장의 급속한 성장은 전체 시장 출하량을 주도할 것으로 예상되며, 13.654년에는 2024만 19.8천 대에 도달할 것으로 예상되며, 이는 전년 대비 XNUMX% 증가한 수치입니다.

AI 서버 출하 비중은 해마다 증가하고 있으며, 액체 냉각 서버에 대한 시장 전망은 유망합니다. 2023년 글로벌 AI 서버 출하량은 10.4%를 차지했고, 국내 점유율은 7.9%로 2020년 이후 꾸준한 성장을 유지했습니다. 글로벌 AI 서버 점유율은 15년에 2026%로 증가할 것으로 예상됩니다. IDC에 따르면, 2023년 중국의 액체 냉각 서버 출하량은 161,000만45대로 AI 서버 시장 출하량의 XNUMX%를 차지할 것입니다. 액체 냉각 데이터 센터의 보급 및 배치와 국가 정책 지원으로 서버 출하량은 계속 증가할 것으로 예상됩니다.

3. 액체 냉각 시장 및 산업 체인의 풍경

3.1 에너지 저장 산업의 급속한 성장으로 인해 열 제어 시스템에 대한 수요 증가

글로벌 대규모 저장 시장의 급속한 발전은 온도 제어, 특히 액체 냉각 온도 제어에 대한 수요의 주요 원천입니다. 국내 시장의 대규모 저장 측면에서 연간 신에너지 발전 설비 용량에 대한 예상과 새로운 프로젝트의 평균 에너지 저장 구성 속도 및 구성 시간의 성장을 바탕으로 2023년부터 2025년까지 국내 사전 미터 에너지 저장의 신규 설치 용량은 각각 31GW, 52GW, 83GW에 도달할 것으로 추정합니다.

글로벌 시장 저장 측면에서 중국, 미국, 유럽연합, 호주, 일본 등 주요 시장의 에너지 저장 건설 현황과 건설 수요를 고려할 때, 2023년부터 2025년까지 사전 계량형 에너지 저장의 글로벌 신규 설치 용량은 각각 90GW, 143GW, 212GW에 도달할 것으로 추산됩니다.

글로벌 시장 저장 측면에서 중국, 미국, 유럽연합, 호주, 일본 등 주요 시장의 에너지 저장 건설 현황과 건설 수요를 고려할 때, 2023년부터 2025년까지 사전 계량형 에너지 저장의 글로벌 신규 설치 용량은 각각 90GW, 143GW, 212GW에 도달할 것으로 추산됩니다.