액체냉각 유량을 두 배로 늘리면 칩은 얼마나 식을까

서버의 냉각수가 덜 뜨거워졌는데 칩은 여전히 뜨겁다. 이런 상황에서는 펌프가 약한지부터 판단하면 안 된다. 물이 열을 싣고 나가는 과정과, 실리콘에서 물까지 열이 건너가는 과정은 서로 다른 온도차를 만든다.

SK하이닉스는 2026-09-30 공개한 AI 인프라 해설에서 전력과 냉각을 시스템 설계의 제약으로 다뤘다. 여기서 설계자가 풀 질문은 더 구체적이다. 허용 칩 온도를 맞추려면 유량을 늘려야 할까, 접촉면을 고쳐야 할까, 들어오는 물을 더 차갑게 해야 할까? 최근 해설

표지의 실물은 미국 오크리지 국립연구소의 Frontier다. 이 시스템을 분석한 연구진은 냉각탑, 설비 측 순환계, 컴퓨터 측 순환계가 열교환기로 연결된 구조를 설명한다. 칩에서 받은 열은 여러 경계를 넘어 외부로 나간다. 아래 계산은 이 기계의 성능을 추정하는 것이 아니라, 그 경계들을 구분하기 위한 별도의 설계 예제다. Frontier 냉각 연구

물의 온도차가 알려 주는 것

칩 위에 밀착한 금속 냉각판, 즉 콜드플레이트에는 물이 지나는 통로가 있다. 열은 고체를 따라 이동한 뒤 통로 벽에서 물로 전달된다. 데워진 물은 열교환기로 돌아가 열을 넘기고 다시 순환한다. 물을 많이 보낸다는 것은 같은 시간에 열을 나눠 실을 물의 질량을 늘린다는 뜻이다. 냉각판 구조

정상상태에서 다른 곳으로 새는 열을 무시하면, 냉각수가 받아 간 열은 질량유량과 비열, 출구와 입구의 온도차를 곱한 값이다. 비열은 물질의 질량당 온도를 올리는 데 필요한 에너지다. 여기서는 열이 발생하는 속도를 P, 질량유량을 ṁ, 비열을 cₚ로 쓰면 P = ṁ × cₚ × (T_out − T_in)이다. DOE 열역학 교재

계산 조건을 고정하자. 가상의 열원 하나가 냉각수에 1,000 W를 전달하며 입구 수온은 35°C다. 물의 밀도는 1,000 kg/m³, 비열은 4,180 J/(kg·K)로 일정하다고 가정한다. 끓음이 없는 단상 냉각이며 펌프 발열, 주변으로 빠지는 열, 시간에 따른 열 축적은 이 열원 계산에서 제외한다.

1 L/min은 0.0167 kg/s에 해당한다. 따라서 물의 입출구 온도차는 1,000 ÷ (0.0167 × 4,180), 반올림 전 질량유량으로 계산하면 약 14.4°C다. 유량을 2 L/min으로 늘리면 이 차이는 약 7.2°C로 줄어든다. 반으로 줄어든 것은 물의 입출구 온도차다. 칩의 온도나 칩과 물 사이의 온도차가 아니다.

이 구분은 측정에도 쓰인다. 같은 열 부하에서 입출구 온도차가 작아졌다면 물이 더 많이 흘렀을 수 있다. 반대로 일을 적게 해서 발생 열이 줄었을 수도 있으므로 유량계와 전력 기록을 함께 봐야 한다. 낮은 반환 수온 하나만으로 냉각판 성능이 좋아졌다고 판정할 수 없다.

칩과 물 사이에도 온도차가 필요하다

칩 내부의 발열 지점 온도를 접합온도, T_j라고 부른다. 열이 흐르려면 발열 지점이 열을 받는 쪽보다 뜨거워야 한다. 재료의 두께와 열전도율, 열이 퍼지는 면적, 맞닿은 면의 상태가 이 온도차를 바꾼다.

특정 열 경로에서 온도차를 통과 열량으로 나눈 값이 열저항이다. 단위 K/W는 같은 경로로 1 W가 흐를 때 필요한 온도차를 뜻한다. 얇은 공기층을 메우는 열전달 계면재, TIM도 이 경로의 일부다. 열저항을 직렬로 더하는 단순화는 전기저항과 비슷하지만, 실제 칩에는 여러 방향으로 퍼지는 열과 국부 발열점이 있다. DOE 전도·대류 교재

이 예제에서는 칩부터 통로 벽까지의 고체·접촉 열저항 R_s를 0.035 K/W로 놓는다. 통로 벽에서 평균 물 온도까지의 대류 열저항 R_c는 1 L/min에서 0.020 K/W로 가정한다. 두 값은 특정 제조사의 사양도, Frontier의 측정값도 아니다.

물은 냉각판을 지나며 계속 데워진다. 열이 유로를 따라 고르게 들어간다고 단순화하면 평균 물 온도는 입구와 출구 온도의 중간이다. 따라서 T_j ≈ T_in + P/(2ṁcₚ) + P × R_s + P × R_c로 나눠 볼 수 있다. 실제 발열 분포와 유로가 다르면 이 평균 온도 근사부터 수정해야 한다.

1 L/min에서는 입구 수온 35°C에 평균 물 온도 상승 7.2°C, 고체·접촉 경로의 상승 35°C, 대류 경로의 상승 20°C가 더해진다. 계산한 칩 온도는 97.2°C다. 출구의 물보다 칩이 더 뜨거운 이유가 숫자로 드러난다.

부품 데이터시트를 가져올 때는 기준 온도를 먼저 맞춰야 한다. 제조사가 이미 ‘칩 또는 표면에서 입구 냉각수까지’의 열저항을 주었다면 그 값에 물의 평균 온도 상승을 다시 더하면 중복 계산이다. 또 표면 기준 열저항을 칩 접합온도 기준으로 바꿔 쓰려면 그 사이 패키지 경로가 필요하다.

두 배 유량이 고체의 병목을 지우지는 못한다

유속이 바뀌면 벽과 물 사이의 열전달도 달라질 수 있다. 그 효과를 빠뜨리지 않기 위해, 이번 설계 예제의 대류 열저항을 R_c = 0.020 × (유량 / 1 L/min)^−0.6 K/W로 정한다. 지수 0.6은 비교를 위한 가정이며 모든 냉각판이나 유동 상태에 적용하는 상관식이 아니다. 실제 설계에서는 해당 부품의 유량별 측정 곡선이 이 자리를 차지한다.

2 L/min의 대류 열저항은 약 0.0132 K/W다. 평균 물 온도 상승은 3.6°C가 되고 고체·접촉 경로는 그대로이므로, 칩 온도는 35 + 3.6 + 35 + 13.2 = 86.8°C다. 물의 입출구 온도차는 절반이지만 칩 온도 하락은 약 10.4°C다.

허용 접합온도를 설계자가 정한 가상의 85°C로 놓으면, 이 변경만으로는 목표에 못 미친다. 2 L/min에서 고체·접촉 열저항을 0.010 K/W 낮출 수 있다면 칩 온도는 추가로 10°C 내려가 약 76.8°C가 된다. 개선 가능 여부는 패키지와 조립 구조에 달려 있지만, 이 계산은 펌프를 더 키우기 전에 어떤 경로를 살펴볼지 알려 준다.

물 대신 금속과 접촉면을 고치는 방법에는 통로까지의 고체 두께를 줄이거나, 열을 넓게 퍼뜨리거나, 빈틈과 계면재 두께를 줄이는 선택이 있다. 다만 더 얇은 구조와 더 강한 압착은 제조 공차, 기계적 강성, 접촉 균일성의 제약을 함께 받는다. 전도 경로를 개선한다는 목표와 무조건 강하게 누른다는 처방은 다르다.

VLSI Korea 판단: 유량을 늘린 뒤 남는 온도 상승을 먼저 나눠 보자. 펌프가 바꾸지 못하는 경로가 크다면, 냉각판과 패키지의 접촉 설계가 다음 투자 대상이다.

온도를 더 내릴수록 펌프 비용은 빨리 늘 수 있다

유량은 공짜가 아니다. 물이 좁은 통로와 굽은 관을 지나려면 압력차가 필요하다. 주어진 순환계의 압력 손실을 Δp, 체적유량을 V̇라 하면 물에 전달하는 펌프 동력은 Δp × V̇다. 전기 입력은 이를 펌프·모터의 합산 효율로 나눈 값이다. DOE 유체역학 교재

이번에는 별도의 가상 유로가 1 L/min에서 50 kPa의 압력 손실을 가지며, 검토 범위에서 손실이 유량의 제곱에 비례한다고 놓는다. 합산 효율은 0.40으로 고정한다. 이 조건에서 1 L/min의 펌프 전력은 약 2.1 W이고 2 L/min에서는 약 16.7 W다. 압력 손실은 4배, 유량은 2배라서 전력이 8배가 된다.

3 L/min에서는 칩 온도 계산값이 82.7°C로 더 내려가지만, 같은 유로 가정의 펌프 전력은 56.3 W다. 마지막 유량 증가는 온도를 약 4.0°C 낮추면서 펌프 전력을 약 39.6 W 더 요구한다. 이 곡선의 전력은 가정한 유로만의 값으로, 데이터센터 전체 냉각 전력이나 실제 CDU의 사양이 아니다.

층류인지 난류인지, 통로 형상은 어떤지에 따라 압력 곡선과 열전달 곡선이 달라진다. 실제 펌프 효율도 일정하지 않다. 그러므로 ‘두 배 유량은 언제나 8배 전력’이라는 법칙으로 외우지 말고, 공급업체의 두 곡선을 같은 유량 축에서 비교해야 한다. 같은 이름의 냉각수라도 혼합비와 온도에 따라 점도와 비열이 달라져 운전점이 바뀐다.

유량 증가가 옳은 경우도 있다

앞의 결론에는 반례가 있다. 고체·접촉 열저항이 0.005 K/W로 작고, 기준 대류 열저항이 0.060 K/W로 큰 가상 구조를 생각하자. 다른 조건과 지수는 그대로 두면 1 L/min의 칩 온도는 107.2°C, 2 L/min에서는 83.2°C다. 감소폭이 약 24.0°C로 커진다.

이 구조에서는 벽에서 물로 열이 넘어가는 과정이 주된 병목이다. 허용 압력과 펌프 여력이 있다면 유량 증가가 효과적인 처방일 수 있다. 반면 막힌 통로 때문에 특정 칩에 물이 도달하지 않는 문제는 랙 전체 유량만 보고 찾기 어렵다. 분기별 유량과 칩 온도의 불균형을 봐야 한다.

VLSI Korea 판단: ‘유량보다 열저항이 중요하다’도 너무 거친 결론이다. 유량으로 줄일 수 있는 열저항과, 유량으로 거의 바뀌지 않는 열저항을 구분하는 것이 설계 판단이다.

같은 펌프라도 배관 방식이 답을 바꾼다

여러 칩의 냉각판을 차례로 연결하면 앞 칩에서 데워진 물이 다음 칩으로 간다. 동일한 열을 받는 냉각판이라도 뒤쪽 칩의 입구 온도는 더 높다. 앞에서 만든 단일 열원 계산을 모든 칩에 같은 입구 수온으로 적용할 수 없는 이유다.

병렬로 갈라 연결하면 여러 냉각판에 비슷한 온도의 물을 공급할 수 있다. 대신 전체 유량이 갈라지므로 ‘랙 유량’과 ‘냉각판 유량’을 혼동해서는 안 된다. 분기별 저항이 다르면 유량도 같지 않고, 열 부하가 큰 칩에 필요한 유량이 자동으로 배분되지도 않는다.

CDU, 즉 냉각수 분배 장치는 이러한 컴퓨터 측 순환계와 설비 측을 연결하고 제어하는 역할을 맡는다. Frontier 연구가 온도뿐 아니라 압력과 유량의 시간 변화도 다룬 이유다. 물이 들어오는 한 지점의 온도와 펌프 정격만으로 모든 칩의 냉각 여유를 설명하기는 어렵다.

입구 수온을 낮추는 방법은 위 계산의 온도 항 전체를 그대로 내린다. 하지만 차가운 물을 만드는 설비의 운전 조건과 비용이 달라진다. 반대로 높은 수온을 허용하면 외부로 열을 버리는 조건이 완화될 여지가 있으나, 그만큼 칩까지 남겨 둔 온도 여유가 줄어든다. 패키지와 시설의 최적점은 같은 문제가 된다.

구매 사양은 최대 유량보다 온도 예산에서 시작한다

서버 설계팀이 먼저 정할 것은 목표 부하에서 가장 뜨거운 칩에 허용할 온도와, 실제 공급할 수 있는 입구 수온이다. 그 차이를 패키지, 접촉면, 냉각판, 물의 가열에 배분하면 필요한 개선이 드러난다. 공급업체에는 같은 열원 면적과 조립 조건에서 얻은 유량별 열저항·압력 손실을 요청해야 비교가 성립한다.

검증 때도 같은 부하와 입구 수온을 유지한 채 유량을 바꾸고, 칩 온도와 물의 입출구 온도, 압력차, 펌프 전력을 함께 기록하는 편이 유용하다. 온도 변화가 어느 경로에서 나왔는지 구분할 수 있기 때문이다. 평균 칩 온도가 좋아도 국부 발열점이나 유량이 부족한 분기가 남을 수 있어, 이 단순 계산은 최종 열 해석과 실물 시험을 대체하지 않는다.

산업적으로도 공급하는 것은 펌프의 L/min 숫자만이 아니다. 열원 분포에 맞춘 냉각판, 반복 조립에서도 유지되는 접촉면, 유량을 고르게 나누는 배관, 이를 확인하는 시험 능력이 함께 필요하다. 이는 위 계산과 열 경로에서 도출한 판단이며 특정 업체의 수율이나 매출 전망은 아니다.

유량을 두 배로 늘리기 전에 현재 온도를 구성하는 항부터 분해하면 된다. 물이 너무 많이 데워지는지, 벽에서 물로 열이 잘 넘어가지 않는지, 아니면 물에 도착하기 전 고체 경로에서 막히는지를 구분해야 같은 전력 예산으로 더 많은 칩 성능을 유지할 수 있다.

Sources and editorial notes

원출처: SK hynix, 2026-09-30 인프라 해설, Brewer 등, 2024-10-07 Frontier 냉각 모델 연구, DOE 열역학, DOE 열전달, DOE 유체역학, Eaton 냉각판 구조.

자료 확인일은 2026-10-03이다. 계산과 설명도는 명시한 가정으로 VLSI Korea가 작성했으며 실측 성능이 아니다. 표지는 2022-07-05 촬영된 Frontier 실물 사진이다. AI 도구가 공개 자료 정리와 초안 작성을 보조했다. 편집 책임은 VLSI Korea에 있으며 고용주와 공급업체로부터 독립적으로 운영된다. 편집·AI 활용 원칙.

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