극소수의 슈퍼컴퓨터만이 이 독특한 냉각 방식을 활용합니다.
실제 세계에는 침지 냉각(immersion cooling)이나 액체 질소 냉각과 같은 매우 다양한 칩 냉각 방식이 존재합니다. 하지만 아직 들어보지 못했을 수도 있는 냉각 개념 중 하나가 바로 일부 슈퍼컴퓨터에서 사용되는 스프레이 냉각입니다. 유명 독일 오버클로커인 Der8auer는 최근 영상에서 스프레이 냉각의 능력을 선보이며, 비전도성 미스트를 Ryzen 7 9800X3D CPU의 IHS(Integrated Heat Spreader) 위에 직접 분사하여 냉각하는 모습을 시연했습니다.
스프레이 냉각은 이름 그대로 작동합니다. 노즐을 CPU나 GPU 위에 배치하여 칩 자체의 바로 위로 미스트를 분사하는 방식입니다. 사용되는 냉각재의 종류에 따라, 미스트는 활성화되어 따뜻하거나 뜨거운 칩에 닿으면 증발하고 냉각 루프(cooling loop)로 돌아갑니다. 이 루프에서 증기는 식어 액체로 다시 응축된 후, CPU 쪽으로 순환됩니다. 이 원리가 익숙하게 느껴진다면, 증기 챔버 냉각기(vapor chamber coolers)가 동일한 상 변화 원리(phase change principle)를 사용하기 때문입니다.
스프레이 냉각에 맞게 설계된 CPU가 어떤 모습일지 보여주기 위해, Der8auer는 2003년 모델의 Cray X1 슈퍼컴퓨터 프로세서를 전시했는데, 이 프로세서는 스프레이 냉각만을 위해 처음부터 설계되었습니다. IHS가 있는 일반 CPU와 달리, Cray X1은 스프레이 냉각에 필요한 일부 구성 요소가 클램쉘 내부에 이미 통합된 스테인리스 스틸 클램쉘 형태로 포장되어 있습니다.
[AMD의 96코어 괴물 CPU에 수랭식 냉각이 새겨진 모델은 자동차 및 산업 부품과 함께 2,000W 직접 다이 냉각 시스템을 구성합니다.]
[3D 프린팅된 팬리스 및 펌프리스 액체 냉각기로 데이터 센터에 600와트의 냉각 효과를 제공합니다.]
클램쉘 내부에는 칩의 여덟 다이(dies)를 겨냥한 수많은 작은 노즐들이 자리 잡고 있습니다. Der8auer는 각 노즐의 방향과 유체가 흐르는 압력이 모두 다이가 액체로 완전히 덮이도록 보장하는 데 중요한 요소라고 강조합니다. 만약 다이의 아주 작은 부분이라도 액체로 덮이지 않는다면, 그 특정 지점에서 과열이 발생할 수 있습니다.
또한 Der8auer는 냉각재 자체가 스프레이 냉각을 통해 냉각되는 모든 칩이 적정 온도를 유지하는 데 결정적이라고 언급했습니다. 핵심은 냉각재가 비전도성(non-conductive)이어야 하며, 낮은 끓는점(boiling point)을 가져야 한다는 것입니다. 그래야 유체가 적절한 온도에서 상 변화를 일으킬 수 있습니다. 만약 끓는점이 너무 높다면, 유체가 증기로 변하지 않아 칩 내부에 열이 갇히는(heat trapping) 현상이 발생합니다.
스프레이 냉각 테스트를 위해, Der8auer는 Ryzen 7 9800X3D와 커스텀 루프 냉각 시스템을 결합하고, 여기에 증발기(vaporizer)를 지원하도록 개조하여 임시 냉각 장치를 구축했습니다. 이 시스템은 두 개의 독립된 루프로 구성되는데, 하나는 증발기에 냉각재를 공급하고, 다른 하나는 고압 공기를 분사하여 냉각재와 혼합시켜 미스트를 형성합니다.
비록 전체 IHS를 덮지는 못했지만, 이렇게 임시로 구성된 스프레이 냉각 시스템은 9800X3D를 성공적으로 냉각하는 데 성공했습니다. 비록 일반적인 CPU 냉각기만큼의 성능은 아니었지만, Der8auer가 과열 없이 Cinebench R23 테스트를 한 번 수행하기에는 충분했습니다. 그 결과 약 95°C에서 18,164점을 기록했습니다. (참고로, 9800X3D는 적절한 냉각기를 사용할 경우 R23 테스트에서 보통 약 23,000점에 도달합니다.)
Der8auer의 테스트 결과가 기대에 못 미치는 것처럼 보일 수 있지만, 증발기가 IHS의 일부 영역만을 냉각했다는 점을 다시 한번 짚고 넘어갈 필요가 있습니다. 만약 IHS 전체가 적절하게 조정된 증기 냉각 장치로 완전히 감싸졌다면, 결과는 달랐을 가능성이 있습니다.
증기 냉각은 반도체 칩을 위한 가장 강력한 냉각 솔루션 중 하나입니다. 그 냉각 잠재력은 냉각재의 유량과 직접적인 관련이 있어, CPU 냉각에 특히 효과적입니다.
이러한 강력한 성능에도 불구하고, 스프레이 냉각은 아직 광범위하게 사용되지 않으며 슈퍼컴퓨팅 분야에 거의 독점적으로 머물러 있습니다. 심지어 슈퍼컴퓨터 중에서도 스프레이 냉각을 실제로 사용한 곳은 극히 일부(Cray-2 포함)에 불과합니다.
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