AI 반도체 열폭주 시대…데이터센터 식히는 '2상 냉각' 뜬다

인공지능(AI) 반도체 성능 경쟁이 뜨거워지면서 데이터센터의 가장 큰 문제로 '열'이 부상했다. 기존 공랭식(공기냉각)은 이미 수년 전 한계에 도달했고, 수랭식(액체냉각) 역시 전력밀도 증가 속도를 따라잡지 못하고 있다. GPU·HBM 탑재 AI 칩의 발열량이 폭증하면서 냉각 방식의 전환이 데이터센터 업계의 핵심 과제로 떠오른 것이다. 28일 여의도 FKI타워컨퍼런스홀에서 열린 '전자기기 및 데이터센터 첨단 방열 기술 집중 교육'에서는 이 같은 문제에 대한 해답으로 '2상 냉각' 기술이 제안됐다. 문강석 LG전자 책임연구원은 “AI 칩의 발열 특성상 기존 냉각 구조만으로는 앞으로 2~3년 내에도 대응이 쉽지 않다”며 “칩 단위에서 열을 직접 제어하는 방식이 필요하다”고 지적했다. 증발·응축 활용하는 2상 냉각… 소켓당 2kW, 랙당 100kW 대응 2상 냉각은 냉매가 칩 표면에서 끓어 증발하고, 다시 응축돼 순환하는 구조로 동작한다. 액체와 기체가 오가는 과정에서 잠열을 활용하기 때문에 1상 액체 냉각(물 기반)보다 월등한 열 제거 성능을 낸다. 문 연구원은 “비전도성 냉각액이 콜드플레이트로 들어가 칩에서 증발한 뒤 응축기를 거쳐 다시 순환하는 구조”라며 “이 방식으로 소켓당 2~2.5kW, 렉당 100kW까지 대응 가능하다”고 설명했다. 이는 최근 AI 서버 밀도 증가와 함께 업계가 직면한 냉각 한계를 정면으로 넘어서는 수준이다. 특히 2상 액침냉각은 서버 전체를 비전도성 유체에 담가 열을 제거하는 구조로, PUE(전력효율지수)를 크게 낮출 수 있다. 미국, 유럽 등 글로벌 데이터센터 기업들이 공격적으로 검토하는 기술이다. 공랭·1상 수랭의 구조적 한계… “이미 정점을 지나고 있다” 기존 냉각 방식의 물리적 한계도 자세히 언급됐다. 팬 기반 공랭은 소음·부피·전력 소모 증가로 운영 비용 급증하고 있으며, 히트파이프는 중력·자세·길이 제약으로 고열밀도 칩 대응이 어렵다. 1상(단상) 수랭식의 경우 물리적 구조 자체에 근본적 한계를 갖는다. 이 방식은 물이 상태 변화 없이 온도를 올려가며 열을 흡수하는 구조라 냉매의 비열·열전도도 같은 물성 한계에 부딪힐 수밖에 없다. 채널을 더 좁게 만들거나 유량을 늘려도 압력손실만 커지고 펌프 전력 소모가 급증해 효율이 거의 올라가지 않는 '정체 구간'에 도달한다. 문 연구원은 “현재 데이터센터의 대부분이 단상 액체 냉각을 쓰지만 AI 칩 발열량을 고려하면 한계가 빠르게 오고 있다”며 “2상 냉각 없이 열을 안정적으로 제거하려면 전체 시스템 비용이 폭증할 것”이라고 말했다. AI 칩 발열은 더 뜨거워진다… 2상 냉각은 '미래형'이 아닌 '필연' AI 반도체는 앞으로 더 높은 열설계전력(TDP)을 요구할 것이 확실시된다. GPU·HBM 통합 구조, 고대역 패키지, 미세공정 전환은 곧 더 높은 열밀도로 이어지는 것이다. 이에 칩 제조사와 서버 OEM, 데이터센터 사업자 등은 냉각 기술을 단순 선택지가 아닌 성능·전력·비용을 좌우하는 핵심 인프라로 보고 있다. 문 연구원은 “AI 서버의 발열은 앞으로 더 올라갈 수밖에 없다”며 “지금 속도라면 기존 냉각으로는 감당이 어렵다. 결국 2상 냉각이 데이터센터에서 표준으로 자리 잡게 될 것”이라고 밝혔다.