“에어컨으론 AI 열기 못 잡는다”... 日 기업, ‘수냉식 칠러’로 데이터센터 선점 나서

인공지능(AI) 경쟁의 고도화로 전 세계 초거대 데이터센터의 전력 소모 가치사슬이 한계 상황에 직면한 가운데, 일본 하이테크 소부장 기업들이 가전제품 분야에서 축적해 온 고효율 압축·에너지 제어 기술을 무기로 차세대 ‘액체 냉각’ 시장 선점에 본격적으로 나섰다.

서버실 전체를 에어컨 바람으로 식히는 전통적인 공랭식(Air Cooling) 방식이 기술적 임계점에 도달하자, 반도체 칩 근처에 찬물을 직접 순환시켜 전력 소비를 획기적으로 줄이고 대차대조표상 운영 비용을 깎아주는 수냉식 솔루션이 미래 데이터센터의 필수 안보 자산으로 급부상했기 때문이다.

30일(현지시각) 닛케이 아시아와 글로벌 IT 통상 업계에 따르면, 인공지능을 구동하는 핵심 연산 장치인 그래픽처리장치(GPU)의 열 출력은 최근 5년간 무려 두 배 이상 폭발적으로 증가했다.

통상적으로 데이터센터 전체 전력 소비량의 30%에서 40%가 오직 ‘서버 냉각(온도 조절)’에 쓰이는 상황에서, 글로벌 서버 제조사들과 전력 제어 거물들은 초기 비용 부담을 감수하고서라도 수냉식 가치사슬로의 대전환을 강제하고 있다.

액체 냉각은 AI 서버 내에서 가장 뜨거운 핵심 부품인 GPU 바로 옆에 미세한 배관을 연결하고 찬물을 순환시켜 열을 직접 빼앗는 하이테크 기술이다. 열 교환 효율이 압도적으로 높아 반도체 칩의 수명을 연장할 뿐만 아니라 냉각 전력 자체를 극적으로 아낄 수 있다.

후지전기는 오는 6월, 기존의 전력 집약적인 냉각기를 완벽히 대체할 차세대 ‘배출기 칠러(Ejector Chiller)’ 제품을 시장에 전격 출시한다.

기존 칠러 내부의 냉매를 압축하는 압축기가 가혹한 전력을 소모했던 단점을 보완, 운동 에너지를 이용해 냉매 유량과 압력을 자율 제어하는 기술을 탑재했다. 후지전기는 이 시스템 도입 시 냉각 전력 소비를 최대 85%까지 감축할 수 있다고 대차대조표를 통해 공언했다.

일본의 모터 및 부품 거두인 니덱은 핵심 제품인 ‘냉각수 분배 장치(CDU)’를 앞세워 이미 실물 시장을 흔들고 있다.

니덱은 최근 태국 생산 기지에서 대형 서버 랙 10개 이상을 동시에 냉각할 수 있는 메가 버전의 대량 양산(매스 프로덕션) 체제를 전격 가동했다.
니덱은 현재까지 10,000개 이상의 액체 냉각 시스템을 글로벌 시장에 성공적으로 출하했으며, 이 시스템이 기존 공랭식 대비 약 30%의 에너지 효율 우위를 점하고 있다고 밝혔다.


일본 소부장 진영의 이 같은 기술 굴기는 실리콘밸리와 중화권 AI 하드웨어 연합세력과의 ‘쇠사슬 동맹’으로 이어지고 있다.

글로벌 AI 서버 시장의 거두인 미국 슈퍼 마이크로 컴퓨터(Supermicro)가 니덱의 핵심 메이저 고객사로 자리 잡았으며, 니덱은 중국 레노버(Lenovo) 그룹의 일본 지사와 손잡고 차세대 액체 냉각 서버를 시장에 공동 포지셔닝하고 있다.

에너지 인프라 대기업인 미쓰비시 중공업은 GPU에 장착된 플레이트에 가스와 액체 냉매를 동시에 순환시키는 초고난도 ‘2상 직접 칩 냉각(2-Phase Direct-to-Chip Cooling)’ 시스템을 완성했다.

이미 일본 내 미쓰비시 무역회사가 운영하는 9개의 핵심 데이터센터 전체가 수냉식 호환 레이아웃을 완비한 상태다. 다만 막대한 초기 설치 비용 규율을 고려해, 단기적으로는 액체 냉각과 공랭식을 하이브리드로 결합한 혼합형 센터 개발을 병행할 방침이다.

여기에 중국 선두 AI 개발사인 프리퍼드 네트워크(Preferred Networks)는 인터넷 이니셔티브 재팬(IIJ), 일본고등과학기술원과 독자적인 수냉식 서버 자강론을 펼치고 있으며, 프랑스의 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric)과 미국의 버티브 홀딩스(Vertiv Holdings), 다이킨 인더스트리 등 기성 공랭식 최강자들 역시 수냉식 순환 냉각기 시장으로 대거 유입되어 가혹한 치킨게임을 벌이고 있다.


액체 냉각 기술의 진화와 더불어, 빅테크 기업들은 대차대조표의 비용 규율을 극대화하기 위해 아예 ‘발전소 옆 데이터센터 알박기’라는 극단적인 안보성 인프라 전략을 구사하고 있다.

페이스북의 모회사인 메타 플랫폼즈(Meta Platforms)는 내년부터 미국의 콘스텔레이션 에너지(Constellation Energy)로부터 막대한 대규모 원자력 발전 전력을 다이렉트로 공급받는 장기 구매 계약을 체결하며 에너지 장벽을 쳤다.

일본 시장에서도 전력 거두인 JERA가 도쿄 인근 화력·수력 발전소 바로 옆 부지에 글로벌 대형 데이터센터를 유치하려는 총력전을 펼치고 있으며, 도쿄전력홀딩스(TEPCO)는 초고압 송전망 구축과 동시에 아예 자체 데이터센터 운영 사업에 직접 뛰어들었다.

데이터센터를 발전소와 물리적으로 한 공간에 공동 배치(Co-location)함으로써, 수백 킬로미터를 이동할 때 발생하는 고질적인 송전 전력 손실을 제로(0)에 가깝게 통제하겠다는 실리주의적 책략이다.

자산운용사 반도체 전문가는 “샌디스크가 KV 캐시 폭증에 따른 2030년 메모리 쇼크를 경고하고, 폭스콘이 차세대 CPO 광학 트레이를 출하하는 등 AI 연산 장치의 밀집도는 인간의 상상을 초월하는 수준으로 가혹해지고 있다”며 “결국 미래 AI 데이터센터 패권의 최종 승부처는 단순히 연산 칩을 확보하는 것을 넘어, 발생한 치명적인 고열을 얼마나 적은 비용으로 식혀내느냐의 ‘냉각 대차대조표’ 싸움이 될 것이며, 이 분야에서 전통 가전 압축 기술의 뼈대를 가진 일본 소부장 진영이 핵심 권력을 쥐게 될 것”이라고 진단했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com