[고든 정의 TECH+] 절대 영도로 얼리고, 기름으로 식히고

당신이 몰랐던 컴퓨터 쿨링의 세계

컴퓨터는 전기의 힘으로 여러 가지 작업을 수행합니다. 그리고 그 과정에서 부산물로 열이 발생하죠. 가능하면 열이 적게 나오면 좋겠지만, 더 성능을 높이기 위해서 프로세서의 숫자와 크기를 늘리고 메모리를 추가하고 그래픽 카드를 병렬로 연결하면 엄청난 열이 발생하는 걸 피할 길이 없습니다. 물론 이렇게 열이 나면 시스템이 고장 나거나 멈추게 됩니다. 그래서 컴퓨터의 열을 식히기 위해서 다양한 냉각장치가 존재합니다.

하지만 어느 순간 방열판은 묵직해지고 냉각팬은 굉음을 내면서 회전하기 시작했습니다. 그게 절정에 달했던 순간은 아마 펜티엄 4 시절이었을 것입니다. PC 제조사와 소비자의 불만이 고조되자 CPU 제조사들은 이전보다 전기를 적게 먹는 제품들을 내놓았고 현재는 상대적으로 쿨러가 작아진 상태입니다. 오히려 더 거대한 쿨러를 장착하게 된 것은 고성능 그래픽 프로세서(GPU)들입니다.

현재도 고성능의 CPU와 GPU들은 거대한 쿨러를 필요로 합니다. 그래서 바람의 힘만으로는 부족해지는 경우들이 존재합니다. 방법은 물과 액체의 힘을 비는 것이죠. 수냉(liquid cooling) 방식은 서버 영역은 물론 고성능 컴퓨터에 널리 사용되고 있습니다. 서론이 길었는데 오늘 이야기는 여기서 한 발 더 나간 별난 냉각 기술입니다.


기름으로 컴퓨터를 식힌다

놀라운 일이지만, 제목 그대로 가능한 일입니다. 가끔 컴퓨터 부품을 물처럼 보이는 액체에 담가서 작동시키는 사진을 인터넷에서 보신 적이 있다면 오일 냉각(oil cooling) 방식의 냉각 시스템을 본 것입니다. 여기에 사용되는 미네랄 오일은 파라핀 등이 주성분으로 절연성이 있고 냉각 성능이 좋아 변압기 등에 사용됩니다.

미네랄 오일안에 컴퓨터 부품을 모두 담가서 냉각시키면 모든 부품에 동시 냉각이 가능할 뿐 아니라 쉽게 열을 빼앗기 때문에 시스템 전체의 온도가 거의 일정하게 유지되는 장점이 있습니다. 사실 컴퓨터 냉각에서 문제가 되는 점 가운데 하나가 균일하게 온도가 유지되지 않고 특정 부위가 냉각 사각지대에 놓일 수 있다는 것입니다.

이렇게 말하면 기름이 매우 좋은 방법인 것 같지만, 단점도 존재합니다. 밀폐된 변압기는 자주 부품을 교환할 이유가 없지만, 컴퓨터는 CPU 교체나 메모리 증설, 고장 등 여러 가지 이유로 시스템을 변경할 수 있습니다. 그런데 기름에 담가두면 교체가 쉽지 않습니다. 여기에 본래 컴퓨터용 부품들이 미네랄 오일에 담가서 사용하는 게 아니다 보니 장시간 사용 시 내구성 등에 문제가 발생합니다. 일부 화학 물질들은 기름에 용해되기도 합니다.

그래서 그린 레볼루션 쿨링이라는 회사에서는 아예 기름으로 서버를 냉각하는 전용 시스템을 개발했습니다. 처음부터 미네랄 오일을 사용해서 냉각할 목적으로 방열판과 메인보드 등을 개발했기 때문에 내구성에도 큰 문제가 없습니다. 수조처럼 생긴 서버랙에 시스템을 담그는 모습은 신선한데, 이 회사 주장으로는 이 방식이 기존의 서버 냉각보다 훨씬 에너지 효율적이라고 합니다.





현재 이 시스템은 몇몇 연구소와 기업, 정부 기관에서 도입되었는데, 냉각에 드는 에너지는 낮아져도 시스템 구축 비용은 더 비쌀 수밖에 없으므로 이런 방식이 앞으로 더 널리 사용될지는 아직 미지수입니다.


프로세서 안으로 직접 물을 넣는다?

오늘날의 쿨러는 직접 CPU를 바로 식히는 게 아니라 몇 단계를 건너서 냉각시킵니다. 약한 내구성을 지닌 프로세서를 보호하기 위해 단단한 금속판으로 감싸놓았기 때문이죠. 그 위에 열 전도성이 좋은 서멀 그리스를 바른 후 방열판에 접촉하게 됩니다. 수랭식이든 공랭식이든 간에 이렇게 하면 결국 열전도율이 떨어져 냉각 성능이 떨어지지만, 지금까지는 다른 방법이 없었습니다.

FPGA 칩 업계의 거인인 알테라(Altera)와 조지아 공대의 과학자들은 칩 바로 옆에 물을 흘려서 냉각하는 새로운 방법을 공개했습니다. 이들은 프로세서 패키지 내부에 물이 흐를 수 있는 100마이크로미터 폭의 실리콘 수로를 만들어 칩을 직접 물로 냉각했습니다. 실제 연산이 일어나는 프로세서와 물 사이에는 1mm도 안 되는 수백 마이크로미터 두께의 실리콘이 존재할 뿐이라서 냉각효율이 기존의 수랭식에 비해서 획기적으로 높아졌습니다.




물론 조금이라도 물이 새면 시스템이 망가지기 때문에 내구성 등의 문제를 해결해야 하겠지만, 연구팀은 이 방식이 엄청난 열을 발생시키는 CPU와 그래픽 프로세서 냉각에 큰 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다.


절대 영도로 프로세서 얼리기

CPU를 본래 의도한 것보다 훨씬 높은 클럭으로 작동시켜 성능을 높이는 것을 오버클럭이라고 합니다. 극한의 오버클럭을 시도하는 사람 가운데는 액체 질소를 이용한 냉각을 시도하는 경우도 있습니다. 물론 이 경우 시스템에 큰 무리를 주기 때문에 일반적인 컴퓨터 사용자나 서버 등에서 사용하기에는 무리가 있습니다.

그런데 구글에서는 액체 헬륨으로 프로세서를 냉각시키는 컴퓨터를 1000만 달러라는 막대한 돈을 주고 구매했습니다. 오버클럭이 아니라 양자 컴퓨터 연구를 위해서입니다.

D wave one이라고 불리는 이 컴퓨터는 세계 최초의 상업 양자 컴퓨터로 야심차게 등장했으나 출시 직후부터 실제 양자 컴퓨터가 맞는지 의혹에 시달려야 했습니다.

작년 말 구글의 양자 AI 팀(Quantum AI team)은 이 컴퓨터가 양자 어닐링(quantum annealing, QA) 연산에서 기존의 컴퓨터의 싱글 코어 대비 1억 배 정도 빠르다고 발표했습니다. 이는 다시 말해 실제로 양자컴퓨터라는 것입니다. 다만 아직 초기적인 기술을 사용하는 양자컴퓨터일 뿐입니다.

D wave의 양자컴퓨터는 업소용 냉장고처럼 생긴 거대한 크기이지만, 사실 프로세서는 하나뿐입니다. 나머지는 이 프로세서를 15밀리켈빈의 절대 영도에 가깝게 냉각시키는 장치입니다.





이런 온도는 질소로는 어렵고 결국 액체 헬륨을 증발시키는 방식과 다른 방식을 조합해서 냉각시키게 되는데, 이렇게 보면 D wave는 가장 낮은 온도에서 작동하는 컴퓨터인 셈입니다.


이렇듯 세계 각지에서는 우리가 일상생활에서 보기 어려운 방식으로 열 받은 컴퓨터를 식히는 방법이 개발되고 있습니다.

사실 열이 적게 나는 것보다 더 좋은 냉각 방법은 없다고 생각합니다. 하지만 그게 안 되면 냉각에 신경을 써야 하죠. 내 컴퓨터가 얼마나 열 받았는지는 HWMonitor 같은 간단한 프로그램을 사용해서 측정할 수 있습니다.

생각보다 많은 열이 나는 것은 쿨러에 먼지가 너무 많거나 컴퓨터를 공기 순환이 되지 않는 구석에 두거나 쿨러의 성능이 충분치 않아서일 가능성이 큽니다. 겨울철에는 문제없더라도 여름이 되기 전까지는 컴퓨터를 잘 식힐 수 있도록 먼저 온도를 점검하고 미리 청소해주는 것이 중요하겠습니다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com