데이터센터의 소프트웨어를 업데이트하거나 고장 난 부품을 교체할 때마다 우주비행사를 보내야 할까? (사진은 국제우주정거장(ISS) 밖에서 선외 활동(EVA)을 수행하는 우주비행사) 출처: NASA

데이터센터는 방대한 양의 데이터를 저장하고 처리하며 배포하는 시설이다. 특히 AI의 급속한 발전과 맞물려 데이터센터 건설 계획이 잇따라 발표되고 있다. 그러나 데이터센터는 물과 전력의 다른 용도와 경쟁하게 되면서 점차 반대에 부딪히고 있다. 이에 구글, 일론 머스크를 비롯한 빅테크 기업과 다른 기업들은 이러한 자원 경쟁을 피하기 위해 데이터센터를 우주에 건설하자는 구상을 내놓고 있다. 하지만 이는 또 다른 문제를 낳는다. 데이터센터에서 발생하는 막대한 열을 방출하려면 특수한 설비와 엄청난 규모의 구조물이 필요하기 때문이다.

데이터센터의 연산 능력은 와트(W) 단위로 표시한다. 와트는 순간적인 전력 소비량을 나타내는 단위로, 슈퍼컴퓨터의 규모를 가늠하게 해 준다. 예를 들어 1980년대부터 프랑스 인터넷 직접 트래픽의 80% 이상이 거쳐 간 핵심 거점인 파리의 텔레하우스 데이터센터는 2천만 와트(20메가와트, MW)의 전력을 사용한다.

그러나 현재 추진되는 여러 프로젝트는 차원이 다른 규모를 예고하고 있다. 프랑스 센에마른에 건설 중인 AI 캠퍼스는 처음에는 10억 와트(1기가와트, GW) 규모를 목표로 했지만, 현재는 3기가와트까지 확대할 계획이다. 일본 소프트뱅크도 프랑스 오드프랑스 지역에 세 곳의 데이터센터를 건설해 총 5기가와트 규모의 전력을 사용할 것이라고 발표했다.

지상 데이터센터가 안고 있는 문제를 이해하려면 규모부터 알아야 한다

1기가와트의 전력은 약 200만 가구가 사용하는 전력량에 해당한다. 이를 공급하려면 대략 원자력발전소 원자로 1기가 필요하다. 다시 말해 새로 추진되는 대형 데이터센터 하나가 들어설 때마다 그에 맞먹는 발전설비(원자력이든 다른 방식이든)를 새로 확보하거나, 기존 전력 소비 구조를 대폭 재편해야 한다. 이 과정에서 이른바 '자원 이용 갈등'이 발생할 수 있다. 한정된 전력을 데이터센터에 공급할 것인지, 아니면 가정과 다른 용도에 우선 배분할 것인지 선택해야 하기 때문이다.

또 하나 중요한 점은 데이터센터를 가동하는 전기는 결국 모두 열로 바뀐다는 사실이다. 1기가와트 규모의 데이터센터는 최종적으로 1기가와트의 열을 외부로 방출해야 한다. 실제로는 냉각수를 비롯한 유체를 발열 부위 가까이 순환시켜 열을 흡수한 뒤 대기 중으로 방출하는 방식으로 냉각한다. 이 유체로는 물을 사용할 수 있지만, 특히 여름철에는 물 부족과 자원 배분 문제가 발생할 수 있다. 공기를 이용해 냉각하는 방법도 있지만, 이 경우에는 초대형 송풍기가 필요하고 상당한 소음이 발생한다.

우주 데이터센터 구상

이러한 이유 때문에 데이터센터를 아예 우주로 보내자는 발상이 등장했다. 구글의 선캐처, 일론 머스크의 AI1, 그리고 소피아 스페이스 등이 대표적인 구상이다. 그러나 이 아이디어는 친환경적이지도 않고, 생각만큼 단순하지도 않다.

전력 문제를 넘어, 데이터센터에는 냉각이라는 또 다른 난제가 있다. 우주의 진공 상태에서는 물도 공기도 사용할 수 없기 때문이다. 우주에서는 열을 멀리 내보내는 유일한 방법이 복사(radiation)다. 즉, 모든 물체가 방출하는 빛을 통해 열을 방출해야 한다. 뜨거운 숯이 빛을 내며 주변을 데우다가 결국 식는 원리와 같다. 물리학의 기본 법칙에 따르면 복사 에너지는 온도가 높을수록 급격히 증가하며, 온도의 4제곱에 비례한다.

인공위성 내부의 전자장치에서 발생한 열을 방출하려면 먼저 열을 냉각 매체(예를 들어 물이나 공기)에 전달한 뒤, 이를 복사 패널로 보내 우주 공간으로 방출해야 한다. 그러나 이러한 패널은 열로 인해 변형되지 않도록 지나치게 뜨거워져서는 안 된다. 결국 적절한 온도에서 운용하면 방열 효율이 낮아지기 때문에, 일정한 양의 열을 방출하려면 매우 넓은 면적의 패널이 필요하다.

실제 우주에서는 어떻게 냉각할까?

기업들은 지상과 우주를 막론하고 데이터센터의 냉각 방식에 대해 거의 공개하지 않는다. 대신 공개된 사례인 국제우주정거장(ISS)을 참고할 수 있다.

국제우주정거장의 장비는 평균 126킬로와트(kW)의 전력을 소비한다. 내부가 거대한 온실처럼 달아오르는 것을 막기 위해 발생한 열을 우주로 방출해야 한다. 이를 위해 ISS에는 총면적 645㎡의 복사 패널이 설치돼 있으며, 무게는 약 10톤이다. 패널 내부에는 약 영하 40℃의 액체 암모니아가 순환한다. 암모니아는 대형 냉각설비에 적합한 냉매이며, 패널 양면에서 열을 우주 공간으로 복사한다.

이를 기준으로 우주 데이터센터를 계산해 보자. ISS의 복사 패널은 1㎡당 약 195와트의 열을 방출할 수 있다. 이 성능을 그대로 적용하면 1기가와트(GW)의 열을 방출하려면 5㎢가 넘는 복사 패널이 필요하다. 이는 축구장 약 730개, 또는 프랑스 파리 17구 전체 면적에 맞먹는 크기다. 냉매를 암모니아 대신 사용하고 온도를 약 20℃까지 높인다면 필요한 면적을 2~3분의 1 정도 줄일 수는 있다.

궤도에 올려야 할 엄청난 무게

ISS의 복사 패널은 1㎡당 약 15kg이다. 이를 환산하면 1㎢당 약 1만5천 톤, 5㎢라면 7만5천 톤에 이른다. 이는 인류가 스푸트니크(Sputnik, 1957년 소련이 발사한 세계 최초의 인공위성)를 발사한 이후 지금까지 우주로 올린 전체 질량보다도 많다.

현재 가장 큰 발사체인 스페이스X의 스타십(아직 실전 운용 전이지만 발사 한 번에 저궤도로 약 100톤을 보낼 수 있을 것으로 예상된다)을 기준으로 해도, 복사 패널만 올리려면 750회의 발사가 필요하다. 그리고 그 이후에야 컴퓨터 프로세서, 태양광 패널, 케이블, 배관, 외함 등 핵심 장비를 추가로 보내야 한다.

유럽연합(EU)의 의뢰로 카르본 4가 수행한 연구에 따르면, 데이터센터를 우주에 배치하면 탄소발자국이 지상보다 약 10배 커진다. 대부분 로켓 발사 과정에서 발생하는 배출 때문이다. 연구는 또한 이 수치가 이산화탄소(CO₂)만 고려한 결과이며, 다른 환경 영향은 포함하지 않았다고 지적한다. 실제로 더 심각한 문제는 발사와 대기권 재진입 과정에서 발생하는 미세입자다. 이들은 기후뿐 아니라 오존층에도 악영향을 미친다.

장비 교체도 큰 문제

또 다른 문제는 유지보수다. 고장이 날 때마다 수리 인력을 우주로 보낼 수는 없다. 게다가 우주에서는 방사선과 극한 환경 때문에 장비가 지상보다 훨씬 빨리 노후화된다.

설령 고장이 없더라도 컴퓨터 기술은 대략 2년 주기로 크게 발전한다. 데이터센터의 성능을 유지하려면 장비를 자주 교체해야 한다. 그렇다면 낡은 프로세서는 어떻게 처리해야 할까? 선택지는 두 가지뿐이다. 우주 궤도에 그대로 남겨두거나, 아니면 지구로 떨어뜨리는 것이다.

첫 번째 방법은 우주 쓰레기 문제를 악화시킨다. 특히 거대한 복사 패널은 파편과 충돌할 가능성이 높다. 충돌은 또 다른 파편을 만들고, 이것이 다시 충돌을 일으키는 악순환으로 이어진다. 미 항공우주국(NASA)은 이러한 현상이 대형 우주 구조물 건설을 가로막는 가장 큰 장애물 가운데 하나라고 지적한다. 두 번째 방법인 궤도 이탈도 문제다. 파편을 의도적으로 대기권에 재진입시키는 기술이지만 성공률이 일정하지 않고, 상층 대기를 오염시킨다.

그렇다면 어떻게 해야 할까?

이러한 규모와 현실을 고려하면, 데이터센터가 정말 필요하다 하더라도 우주에 보내자는 발상은 서랍 깊숙이 넣어두는 편이 현명하다. 환경적 관점에서 보면 차라리 데이터센터를 지상에 두고 그에 따른 문제를 감수하는 편이 피해가 적다. 물론 이 역시 물과 전력의 사실상 사유화, 지역 주민의 소음 피해, 생물다양성 감소 같은 심각한 부작용을 동반한다.

더 근본적으로는, 자원이 한정된 지구에서 우리는 선택을 해야 한다. 데이터센터를 계속 늘릴 것인지, 아니면 지구의 거주 가능성을 지키기 위해 에너지와 자원 소비를 과감하게 줄일 것인지 말이다.

[출처] Centres de données dans l’espace : ni écologiques, ni économes

[번역] 이꽃맘

덧붙이는 말

이 글은 프랑수아 브리앙(François Briens, 경제학자·에너지 시스템 엔지니어), 오렐리앙 피코(Aurélien Ficot, 환경과학 엔지니어·교육자), 장마뉘엘 트레몽(Jean-Manuel Traimond, 작가·강연자)과의 논의를 바탕으로 작성됐다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.