"수랭식 다음은 결국 액침냉각…반도체 직접 깎아 효율 50% 높인다"

인공지능(AI) 시대 개막으로 데이터센터 발열량이 폭발적으로 증가하면서 글로벌 냉각 생태계 판도가 급변하고 있다. 1400W가 넘는 칩 발열을 감당하기 위해 기존 공랭식 대신 수랭식이 표준으로 자리잡은 가운데, 차세대 대안인 '액침 냉각' 기술 선점 경쟁이 치열하다. 허성훈 한국과학기술연구원(KIST) 전자융합소재연구센터 책임연구원은 최근 지디넷코리아 인터뷰에서 데이터센터 냉각 기술 현주소와 미래, 그리고 국내 업계가 나아가야 할 방향을 짚었다. 허 연구원은 차세대 연구리더를 육성하는 KIST 프로그램 '2026년 KIST 영 펠로우(Young Fellow)'에 선정된 젊은 연구자 3명 중 1명이다. 현재 성균관대학교 탄소중립연구센터 겸임교수를 맡고 있고, 열 관리 전문가다. 1400W 넘는 칩 발열…공랭식 한계 만나 '수랭식'이 표준으로 최근 데이터센터 전력 소비량과 발열량은 유례없는 속도로 치솟고 있다. 불과 5년 전 랙(Rack) 당 40kW 수준이던 전력 소비량은 최근 200kW급까지 급증했다. 과거 엔비디아 A100 등 초기 AI 반도체 발열량은 칩당 400W 수준이어서, 방열판에 바람을 쏘는 기존 공랭식(최대 약 600W 냉각 가능)으로도 온도를 제어할 수 있었다. 하지만 엔비디아 H100 칩이 700W를 넘어서고, 최신 블랙웰 플랫폼이 1400W 이상 열을 뿜어내면서 공기로 열을 식히는 방식은 사실상 수명을 다했다. 현재 시장 대세는 칩 위에 콜드 플레이트를 얹어 냉각수를 순환하는 수랭식으로 넘어갔다. 엔비디아는 H100부터 수랭식을 옵션으로 도입했고, 블랙웰부터는 수랭식 콜드 플레이트를 표준 사양으로 채택했다. 그러나 수랭식도 만능은 아니다. 칩 발열량에 맞춰 실시간으로 유압을 정밀하게 조절해 물을 뿜어줘야 하므로, 냉각분배장치(CDU) 내부 펌프에 막대한 부하가 걸리고 막대한 구동 전력이 소모된다는 단점이 있다. 차세대 대안 '액침 냉각' 부상… 막대한 초기 비용과 규제는 숙제 궁극적인 대안으로 서버 전체를 비전도성 절연유에 푹 담그는 '액침 냉각'이 주목받고 있다. 유체(물 등)는 공기보다 1도 오를 때 흡수하는 열량이 무려 3000배나 많아 열을 빼앗는 효율이 압도적이다. 허 연구원은 "수랭식이 특정 칩을 타깃으로 강한 유압을 쏘아 열을 빼앗는다면, 액침 냉각은 전체를 담가서 열을 빼기 때문에 유압이 크게 걸리지 않아 전력 효율에서 훨씬 유리하다"며 "전력효율지수(PUE)를 1.0에 가깝게 만들 수 있다"고 설명했다. 다만 상용화를 위해 넘어야 할 벽은 높다. 수영장 규모의 거대한 수조를 건물 층마다 배치해야 하므로 막대한 건축 하중과 초기 투자비용이 발생한다. 섭씨 250도 이상에서 불이 붙지 않아야 한다는 까다로운 국내 소방법 인화점 규제도 걸림돌이다. 온도 손실 막아라…냉각효율 50% 높일 '칩 표면 공학' 눈길 이러한 제약 속에서도 허 연구원팀은 냉각 성능이 극대화되는 2상 액침 냉각 한계를 돌파할 기술 개발에 매진하고 있다. 2상 액침 냉각은 냉매가 끓어오를 때 발생하는 증발 잠열을 이용하는 방식으로 막대한 열량을 감당할 수 있어 향후 고성능 수랭식을 대체할 기술로 꼽힌다. 핵심 연구는 반도체 칩 표면 물리적 구조를 직접 개조하는 '표면 공학' 기술이다. 기존에는 섭씨 100도에 달하는 뜨거운 전자 칩 위에 열 계면 소재(TIM)를 덧붙여 열을 전달했지만, 이 과정에서 필연적으로 10~20도 온도 손실이 발생해 효율이 떨어졌다. 연구팀은 온도 손실을 유발하는 TIM을 제거하고, 칩 패키징에 쓰이는 구리나 니켈 다이 표면 자체를 직접 깎아 울퉁불퉁하게 만드는 정밀 식각 기술을 고안했다. 금속 표면적이 넓어지면 액체가 끓어오르는 기포 발생 지점이 대폭 늘어 냉매가 칩의 열을 훨씬 효과적으로 흡수할 수 있다. 그는 "이러한 직접 매칭 표면 처리 기술을 적용할 경우, 온도 강하 현상을 막아 기존 액침 냉각 대비 성능을 최소 50% 이상 끌어올릴 수 있을 것"이라고 내다봤다. 아울러 "거품이 위로 원활하게 끓어오르게 하려면 칩과 서버의 배열을 기존 수평에서 수직으로 세워야 할 것"이라며 데이터센터 폼팩터의 근본적인 변화도 함께 전망했다. "韓 냉각 생태계, 판 짜고 총대 멜 리더 절실" 이처럼 혁신적인 냉각 기술이 연구실을 넘어 상용화 꽃을 피우려면 국내 산업계의 적극적인 움직임이 필수다. 하지만 현재 국내 기업은 차세대 냉각 시장에 관심만 보일 뿐, 막대한 초기 투자가 수반되는 생태계 구축에는 한발 물러서서 눈치만 보고 있다는 것이 허 연구원 진단이다. 허 연구원은 "우리나라 기업들은 냉동 공조 장비에 들어가는 펌프, 배관, 절연유 등 주요 부품 인프라를 만들 역량이 충분하다"면서도 "새로운 데이터센터 냉각 생태계의 판을 짜고 '총대'를 메며 리드하려는 기업은 보이지 않는다"고 꼬집었다. 에어컨 등 전통적인 냉동 공조 시장에서는 국내 대기업이 뛰어난 역량을 발휘하고 있지만, 정작 다가올 AI 데이터센터 전용 냉각 기술 생태계를 선도할 구심점은 턱없이 부족하다는 지적이다. 그는 "기업들이 테스트베드 구축 등에 소극적인 태도에서 벗어나 산업을 이끌 강력한 리더십을 발휘하면, 우리나라도 충분히 차세대 냉각 시장 주도권을 쥘 수 있다"고 거듭 강조했다.