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챗GPT 같은 초거대 인공지능(AI) 모델을 돌리려면 그래픽처리장치(GPU)가 수십만 개 필요하다. GPU를 담는 대형 데이터센터 건설이 불가피한 이유다. 그러나 전력과 냉각수 소비량은 상상을 초월한다. 챗GPT에 단어 100개 분량의 글을 올릴 때마다 물 500mL가 쓰인다. 대형 데이터센터는 전력 사용량도 원자력발전소 1기나 중소 도시의 연간 소비량인터넷야마토
과 맞먹을 정도다. 규모가 커질수록 전력 변환 손실도 늘어나 기존 전력망만으로는 수요를 감당하기 어려워지고 있다. 전력망을 증설하면 해결될 것 같지만 주민 반발이 거세다. 결국 데이터센터 전력 효율을 높이고 전자식 전력망으로 전환하는 ‘기술적 접근’이 해결책으로 떠오르고 있다.
“데이터센터 전력 손실 줄인다”

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서울대 전력연구소는 데이터센터 전력 소비 효율을 높이기 위해 변환 단계를 줄이는 회로와 제어 기술을 연구하고 있다. 국내 기준으로 대형 데이터센터는 외부에서 154㎸ 교류(AC) 전력을 공급받는데, GPU는 1V 직류(DC)를 사용한다. 전압을 단계적으로 변환해야 한다. 현재 구조에서는 154㎸ AC가 22릴게임골드몽
.9㎸ AC, 380V AC, 400V DC, 48V DC로 변환된 뒤 최종 1V DC에 도달한다. 단계별 변환 효율이 99%여도 다섯 단계를 거치면 전체 효율은 약 94%로 떨어진다. 50㎿급 데이터센터라면 손실만 3㎿에 달하는데, 이는 수천 가구의 연간 사용량에 해당한다.
연구소는 기존 다섯 단계로 이어지는 변환을 두 단계로 줄이는 연릴게임임대
구를 하고 있다. 초고압 교류에서 곧바로 수백 V 직류로 낮출 수 있다면 전력 손실뿐 아니라 발열과 냉각 부담까지 줄어든다. 서버 전원 모듈을 축소 제작해 효율을 측정하고 손실이 집중적으로 발생하는 구간의 데이터를 축적하는 연구도 병행한다.
해외에서도 데이터센터 전력 효율을 높이기 위한 연구가 한창이다. 구글은 외기냉방과 액체냉각 등 맞춤세력매집
형 냉각 기술을 적용하고, 자체 설계한 텐서처리장치(TPU)와 전원 회로 최적화를 통해 단위 전력당 연산 성능을 끌어올리고 있다. 아마존웹서비스(AWS) 역시 냉각 시스템을 개선해 발열 부담을 낮추고 있다.
핵심 기술로 주목받는 것이 와이드밴드갭(WBG) 반도체다. WBG 반도체는 기존 실리콘(Si) 대신 탄화규소(SiC) 또는 질화갈륨(GaN) 같은 소재를 사용한다. Si 기반 반도체는 전압이 높아질수록 저항과 발열이 커져 전력 변환 과정에서 손실이 불어나지만 SiC나 GaN은 고전압·고온 환경에서도 안정적으로 작동하고, 변환 속도가 빠르기 때문에 전력 손실과 발열을 크게 줄일 수 있다. 데이터센터 내부에서 반복적으로 발생하는 변환 과정의 효율을 높이는 데 효과적이다. 독일 반도체 기업 인피니언도 지난 5월 데이터센터 전력 효율 강화를 위한 신형 GaN 전력 모듈을 공개하고 AI 데이터센터에 적합한 전력 솔루션 개발에 속도를 내고 있다.
연구소는 데이터센터를 단순히 전력 소비원이 아니라 전력망 운영을 효율적으로 돕는 장치로 활용하는 방안도 실험하고 있다. 태양광발전으로 전기가 남는 낮에는 데이터센터가 전기를 흡수해 사용하게 하고, 저녁처럼 태양광이 부족한 시간에는 사용량을 줄여 전력망 수급을 맞추는 방식이다. 이규섭 서울대 전기정보공학부 교수는 “데이터센터는 워낙 큰 소비처이기 때문에 필요할 때 전기를 흡수하고, 필요하지 않을 때 줄여주면 전력망 안정에 도움이 된다”며 “이를 위해 전기 장치와 운영 기술을 함께 연구하는 것이 중요하다”고 설명했다.
전력계통 패러다임 바뀐다
데이터센터뿐 아니라 전력 공급 측면에서도 효율화는 시급하다. 교류 기반 장거리 송전망에서는 여전히 전력 손실이 10~12% 발생하고, 재생에너지 발전은 분산성과 변동성이 커 단순 전력망을 증설하는 것만으로는 대응이 어렵다. 이 같은 한계 속 전력계통이 ‘기계 중심’에서 ‘전자 중심’으로 전환하는 패러다임 변화를 꾀하고 있다.
서울대 전력연구소는 기존 교류 송전망을 초고압직류송전망(HVDC)으로 전환하고, 인버터와 전력 반도체 기반 제어 기술을 접목한 디지털 송전망을 실험 중이다. 기존 전력망에서는 전류가 일방적으로 흐르기 때문에 스위치를 껐다 켰다 하는 정도로만 제어할 수 있다. 그러나 HVDC 및 전자식 전력망 체계에서는 송전선로와 변압기에 흐르는 전력을 능동적으로 변경할 수 있다. 전력 흐름 제어, 손실 최소화, 재생에너지 안정성 확보에 필수적이다. 연구소는 현재 제주도와 육지를 잇는 HVDC 송전선 세 개를 운영하고 있다.
세계적으로도 HVDC로 변환하려는 프로젝트들이 진행되고 있다. 일본 히타치에너지는 해저 케이블과 변환소를 결합한 HVDC 솔루션을 상용화해 유럽과 아시아 여러 지역에 공급한다. 대규모 송전 용량을 안정적으로 보낼 수 있고 운영 유연성이 크다는 평가를 받는다.
전자식 전력망 기반에는 전력 반도체가 있다. 신호 반도체가 데이터를 처리하는 것과 달리 전류와 전압을 직접 제어하는 종류의 반도체다. 교류를 직류로 바꾸거나 고전압을 낮추는 등 전력 흐름의 안정성과 효율성을 결정한다. 인피니언 등이 독과점한 시장으로, 연구소를 비롯해 삼성전자도 독자 개발에 나서고 있다.
하정익 서울대 전력연구소장은 “앞으로 전력계통은 AI와 재생에너지 시대를 뒷받침할 수 있는 전자식 전력망으로 변할 것”이라며 “효율성과 안정성을 동시에 잡는 기술 개발이 관건”이라고 말했다.
최영총 기자 youngchoi@hankyung.com