AI 서버 고집적화, 공랭에서 액체냉각으로 전환

AI 데이터센터의 가장 큰 특징은 GPU 기반 고성능 서버 도입에 따른 전력밀도 상승이다. 기존 범용 서버 대비 발열이 많이 증가하면서, 공랭 중심의 냉각 방식만으로는 안정적인 운영이 어려워지고 있다.  

공랭 방식은 공기를 통해 열을 제거하는 구조로, 서버 밀도가 낮은 환경에서는 효율적으로 작동하지만, 고집적 AI 서버 환경에서는 냉각 효율이 급격히 저하되는 한계를 가진다. 특히 고성능 GPU는 열을 더 발생시키기 때문에 공기만으로는 열을 충분히 제거하기 어려우며, 냉각을 위해 더 많은 전력을 소모하게 되는 문제가 발생한다.

이에 따라 열을 직접 제거할 수 있는 액체 냉각* 방식이 대안으로 부상하고 있다. 액체는 공기보다 열전도율이 높아 같은 조건에서 더 효과적으로 열을 전달할 수 있으며, 고밀도 서버 환경에서도 안정적인 온도 유지가 가능하다. 또한, 서버 간 간격을 줄여 공간 효율을 높일 수 있다는 점에서도 적용이 확대되고 있다. 글로벌 시장조사기관 웨스트워터 리서치(WestWater Research)에 따르면, 미국 내 데이터센터 관련 물 소비량은 2030년까지 약 170% 증가할 것으로 예상한다. 이는 냉각 방식 변화와 함께 수자원 관리의 중요성이 커지고 있음을 보여준다.

<미국 데이터센터 전력 수요 증가 추이 및 전력 소비 비중 전망>

(단위: 테라와트시(TWh), 전체 전력 수요 대비 비중(%))

[자료: McKinsey & Company]

전력·냉각 병목 해소를 위한 기술 트렌드 부상

2026년 미국 AI 데이터센터 시장의 핵심 트렌드는 고발열·고전력 환경을 감당하기 위한 전력·냉각 구조 전환에 있다. 최근에는 AI 서버 확산으로 서버당 전력 사용량이 기존 대비 많이 증가하면서, 데이터센터 설계 전반의 변화가 요구되고 있다.

이에 따라 업계는 ▲고밀도 서버에 대응하는 액체 냉각 확대 ▲1MW(1MW는 100만 와트)급 서버 단위 전력 수요 증가에 대응한 전력공급 구조 개선 ▲전력망 부담을 줄이기 위한 에너지 저장장치 연계 ▲물 사용을 줄이는 냉각 설계 고도화에 집중하고 있다.

이러한 변화에 맞춰 구글은 2025년 오픈 컴퓨트 프로젝트(OCP) 회의에서 기존 대비 훨씬 높은 전력을 안정적으로 공급하기 위해 ±400V 직류 기반 전력 구조를 제시했다. OCP는 글로벌 IT 기업들이 데이터센터 설계 기술을 공동 개발·공유하는 협의체다. 이 자리에서 구글은 향후 100kW(1kW는 1000와트)에서 1MW 수준까지 급증할 서버 단위 전력 수요에 대응하는 청사진을 내놓았다. 

엔비디아 역시 2026년 기준 800V 직류 기반 전력 구조를 차세대 데이터센터 설계 방향으로 제시하고 있으며, 전력 전달 효율을 높이고 배선 구조를 단순화하는 데 초점을 맞추고 있다. 또한, 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric)은 엔비디아와 협력해 고성능 AI 서버 환경을 고려한 액체 냉각 기반 설계를 공개했으며, 기존 대비 훨씬 높은 전력을 안정적으로 처리할 수 있는 구조를 제시하고 있다.

<구글의 AI 데이터센터용 액체 냉각 설비 구성 예시>

[자료: Google]

냉각과 전력 인프라의 통합 설계 확산

이 같은 변화는 냉각 설비와 전력 설비가 더는 별개의 영역이 아니라는 점을 보여준다. AI 서버의 전력밀도가 높아질수록 서버 자체 소비전력뿐 아니라 냉각을 위한 전력도 함께 증가하기 때문에, 냉각 방식 선택이 곧 전력 인프라 설계 문제로 이어지는 구조가 형성되고 있다.

미국에서는 이에 대응해 데이터센터를 전력망에 더욱 유연하게 연결하려는 시도도 확대되고 있다. 구글은 2026년 3월 아칸소주와 미네소타주 등에 있는 미국 내 5개 전력 회사와 계약을 체결하고 총 1GW(1GW는 10억 와트) 규모의 수요반응(전기 피크 시간대에 덜 쓰고, 전력망 부담을 나누는 방식) 자원을 확보했다. 이는 전력 수요가 높은 시간대에 데이터센터 전력 사용을 조절하기 위한 목적이다. 로이터는 미국 전력망이 데이터센터 증가에 따른 부담을 줄이기 위해 주요 기업들이 전력 사용을 시간대별로 조정하는 방식으로 대응하고 있다고 보도했다.

물 사용 절감형 냉각 설계 부상

또 다른 주요 트렌드는 물 사용을 줄이기 위한 냉각 설계 기술이다. 액체 기반 냉각이 확대되면서 냉각 효율은 높아지고 있지만, 동시에 지역별 물 사용 부담이 새로운 과제로 떠오르고 있다.

이에 마이크로소프트는 2024년 8월부터 AI 워크로드에 최적화된 차세대 데이터센터 설계에 칩 단위 냉각 방식을 적용해, 냉각 과정에서의 물 사용을 최소화하는 구조를 도입했다. 해당 설계는 냉각 과정에서 물이 증발하지 않고 순환되는 구조로, 데이터센터 한 곳당 연간 약 1억2500만 리터 이상의 물 사용을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

기존 데이터센터는 냉각 효율을 높이기 위해 물을 증발시키는 방식이 널리 사용됐으나, 새로운 설계에서는 물을 재사용하는 방식으로 전환되고 있다. 다만 이러한 구조는 기존 대비 전력 사용 효율(PUE)이 다소 증가할 수 있으나, 더 높은 온도의 냉각수를 활용하고 고효율 냉각 장비를 적용함으로써 에너지 사용 증가를 최소화하는 방향으로 설계되고 있다. PUE는 데이터센터 전체 전력 사용량 대비 IT 장비가 사용하는 전력 비율을 의미하며, 값이 쌀수록 에너지 효율이 높은 것으로 평가된다.

마이크로소프트는 해당 기술을 미국 애리조나주 피닉스와 위스콘신주 마운트플레전트 지역 데이터센터에 시범 적용할 예정이다. 앞으로 신규 데이터센터 전반에 확대 적용해 물 증발을 최소화하는 냉각 방식을 주요 표준으로 전환할 계획이다. 이러한 시설은 2027년 이후 차례로 가동될 것으로 예상한다.

<마이크로소프트의 폐쇄형 순환 구조 기반 데이터센터 냉각 설계 개념도>

[자료: Microsoft]

시사점

미국 AI 데이터센터 시장에서는 고집적 서버 도입이 확대되면서 냉각 설비와 전력 인프라 수요가 동시에 증가하고 있다. 현지 반도체 업계 관계자는 KOTRA 시카고 무역관과의 인터뷰에서 “AI 서버는 기존 대비 전력 사용량과 발열이 모두 높은 구조로, 냉각과 전력 설비를 함께 고려한 인프라 구축이 중요해지고 있다"고 밝혔다. 이어 그는 "데이터센터의 전력 및 냉각 부담이 증가하면서 해저 설치나 우주 기반 데이터센터와 같은 새로운 개념도 논의되고 있으나, 유지관리와 인프라 구축 측면에서 제약이 있어 현재로서는 기존 인프라 내에서 냉각 효율과 전력 운영을 개선하는 방식이 더욱 현실적인 대응으로 평가된다”라고 설명했다. 

이와 같은 흐름에 따라 데이터센터 구축 과정에서 냉각 설비와 전력 관련 장비의 중요성도 함께 커지고 있다. 액체 기반 냉각 시스템, 고전압 전력공급 장치, 전력 변환 장비, 에너지 저장장치 등은 AI 데이터센터 운영에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 관련 품목의 수출 증가도 이러한 변화를 반영한다. 2026년 2월 기준 대미 수출액은 전년 동월 대비 액체 펌프(HS CODE: 711210)가 10.1% 증가했으며, 펌프 부품(HS CODE: 711230)은 6.8%, 전기용접기(HS CODE: 726220)는 9.3% 증가한 것으로 나타났다. 이는 데이터센터 냉각 및 설비 구축과 연관된 기계·장비 수요가 확대되고 있음을 보여준다.

또한 데이터센터 확산이 전력망 부담으로 이어지면서 전력 효율 향상과 에너지 관리 기술의 중요성도 높아지고 있다. 이에 따라 배전 설비, 에너지 저장장치, 전력 관리 솔루션 등 전력 인프라 전반에서 관련 수요도 증가할 것으로 전망된다. 아울러 미국 내 데이터센터 구축이 특정 지역에 집중되면서 현지 생산 및 공급망 구축의 중요성도 함께 커지고 있다. 이러한 흐름을 고려할 때, 미국에 진출하고자 하는 우리 기업은 현지 생산 거점 확보, 파트너십 구축 등을 통한 시장 진입 전략이 필요할 것으로 보인다.