AI, 2030년까지 최대 6,000억 갤런의 물 소비 예정 — 데이터 센터 전력 수요 증가에 따른 에너지 소비 급증이 주요 원인

데이터 센터는 지역 사회에 해를 끼칠 정도로 상당한 자원을 소비합니다. 데이터 센터 구축에 반대하는 이들이 물 사용 문제를 제기해 왔지만, 그 영향의 규모가 얼마나 거대한지는 최근까지도 완전히 명확하지 않았습니다.

미국의 많은 신규 데이터 센터들이 가뭄에 취약한 지역에 건설되고 있으며, 엄청난 양의 물을 소비하는 것처럼 보이는 냉각 시스템(cooling systems)은 2050년까지 전체 물 사용량에서 차지하는 비중이 일부에 불과할 뿐입니다. 그렇다면 이 전체 물 사용량 수치는 무엇으로 구성될까요? 물론 냉각이 한 역할을 하지만, 지속적인 에너지 수요와 칩 제조(chip fabrication) 또한 이야기의 더 큰 부분을 차지합니다.

얼마나 소비하고 있는 것인가?!

물 소비에 관한 최근 Guardian의 보고서는 수처리 기술 기업인 Xylem의 수치를 인용했습니다. 이는 보고서의 정확성에 대한 몇 가지 의문을 제기하며, 우리가 다른 출처의 수치들을 더 깊이 조사하게 만들었습니다. 비록 Xylem의 원래 보고 내용과 완전히 일치하지는 않지만, 유사한 양상을 보여줍니다.

데이터 센터가 사용하는 물의 정확한 양을 수치화하는 것은 쉽지 않습니다. 이는 시설 내에서 사용되는 특정 하드웨어, 냉각 방식, 그리고 지역 그리드 인프라(grid infrastructure)가 어떠한지에 따라 크게 달라집니다. 최근 MostPolicyInitiative 보고서에 따르면, 2023년 한 해에만 미국의 데이터 센터가 174억 갤런의 물을 소비했습니다. 그리고 이는 최근 시작된 모든 기가와트(gigawatt+) 규모의 데이터 센터 프로젝트들이 본격화되기 전의 수치입니다. 이러한 신규 시설들이 가동됨에 따라 2028년까지 직접적인 물 소비량은 최대 730억 갤런까지 증가할 수 있습니다.

하지만 여기서 핵심 키워드는 '직접적인'입니다. 올해 초 발표된 UNU의 'AI 에너지 사용의 환경적 비용 (Environmental Cost of AI's Energy Usage)' 보고서는 2025년 전 세계 데이터 센터의 전력 소비를 위해 1조 갤런에 약간 못 미치는 양의 물이 필요할 것임을 강조했습니다. AI 워크로드 (Workloads)는 그중 약 20%, 즉 2,000억 갤런을 차지합니다. 이는 올림픽 규격 수영장 약 300,000개에 해당하는 양입니다. 이 비중은 2030년까지 40%, 즉 4,000억 갤런으로 증가하여 총 6,000억 갤런의 물을 소비할 것으로 예측되며, 이는 나이지리아 국가 전체의 전력 수요를 초과하고 사하라 이남 아프리카의 5억 명에게 공급할 수 있는 충분한 양의 물을 사용하는 것과 같습니다.

하지만 AI 워크로드에 할당된 2,000억 갤런(그리고 계속 증가 중인)의 물은 다른 산업과 비교했을 때 어느 정도 수준일까요?

이는 2024년 미국 농업 분야에서 사용된 26.4조 갤런(USDA 기준)에 비하면 여전히 미미한 수준이지만, 국제 석유 정제 수치에는 근접하고 있습니다. OPEC은 2024년에 하루 약 8,600만 배럴의 원유를 생산했으며, 원유 1배럴당 약 0.4배럴의 물이 사용된다는 대략적인 환산치를 적용하면 연간 약 5,500억 갤런 수준입니다.

AI보다, 심지어 모든 데이터 센터를 합친 것보다 훨씬 더 많은 물을 사용하는 산업들이 여전히 존재합니다. 하지만 물 사용량은 급격히 증가하고 있으며, 이는 단순히 냉각 수요의 증가 때문만은 아닙니다. 그것은 전력 수요와 하드웨어 제조에서 비롯됩니다.

데이터 센터에 대한 미국인들의 정서가 악화되고 결과적으로 개발에 대한 반대가 심화됨에 따라, 이러한 새로운 배포 시설들의 증가하는 물 수요를 해결하는 것이 프로젝트 완수를 원하는 개발자들에게 핵심이 될 수 있습니다. 물 부족, 가뭄, 수질 오염에 직면한 거주자들에게 이 위험은 더욱 실존적입니다.

냉각 혁신 (Cooling innovation)

데이터 센터 개발자들에게 시설의 증가하는 물 수요를 해결하기 위해 검토해 온 주요 방법은 냉각 (Cooling)을 개선하는 것입니다. 증발식 (Evaporative) 방식에서 폐쇄 루프 (Closed-loop), 칩 직접 냉각 (Direct-to-chip) 방식으로 전환하면 냉각 과정에서 사용되는 물에 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다.

이는 긍정적인 변화입니다. 실제로 Microsoft의 Satya Nadella는 자사의 최신 AI 데이터 센터의 냉각 시스템이 매우 효율적이어서 "물 소비 없이도 효과적으로 운영될 수 있다"고 주장했습니다. 그는 또한 이러한 메가 데이터 센터의 연간 물 소비량을 단일 레스토랑과 비교하기도 했습니다.

홈 PC 애호가들을 위해 설명하자면, Nadella는 단순히 뜨거운 물을 증발시켜 냉각하는 방식 대신 데이터 센터 버전의 일체형 수랭 쿨러 (AIO watercooler)를 사용하는 것에 대해 말하고 있는 것입니다. 이는 물 사용량 측면에서 훨씬 더 효율적이며, 직접 사용 관점에서는 매우 훌륭합니다.

폐쇄 루프 (Closed-loop) 냉각은 데이터 센터 개발에 있어 절대적으로 중요한 혁신이며, 팬리스 액체 냉각기 (Fanless liquid coolers)나 침전 냉각 (Immersion cooling) (아마도 해저나 궤도 배포까지 포함하여)과 같은 더 이색적인 아이디어와 결합된다면, 미래에는 데이터 센터 냉각에 아주 적은 양의 물만 사용하게 될 수도 있습니다.

하지만 문제는 냉각이 아니라, 이를 가동하기 위해 생성되는 전력입니다. 그리고 폐쇄 루프 냉각 시스템의 한 가지 단점은 증발식 냉각 시스템보다 더 많은 전력을 사용한다는 점입니다. 이러한 전력 수요가 증가함에 따라, 이 시설들의 간접적인 물 사용량도 함께 증가합니다.

전력이 문제다

Xylem의 연구에 따르면, 2050년까지 데이터 센터의 간접적인 물 사용량의 대다수는 전력 생산 때문일 것이며, 최근 세대의 GPU 개발 추세를 따른다면 그 전력 수요는 엄청날 것입니다.

Nvidia의 Ampere 세대 A100 엔터프라이즈 GPU는 300-400W의 TDP를 가졌습니다. Hopper 세대의 H200은 최대 700W의 TDP를 가집니다. Blackwell GB200 GPU는 무려 1,200W까지 끌어다 쓸 수 있습니다. 다음 세대인 Vera Rubin은요? 이제 칩당 최대 2,300W에 달합니다.

이러한 GPU를 전체 랙(Rack) 단위로 확장하기 시작하면 전력 소비는 극단적으로 높아집니다. 기존 데이터 센터의 서버 랙이 10~15kW 사이의 전력을 소비했던 반면, 최신 GB300 NVL72 설계는 개당 150kW 이상을 소비할 수 있습니다. Vera Rubin은 더 에너지 효율적일 수 있지만, 그 랙은 각각 230kW 이상을 소비할 수 있습니다.

데이터 센터는 전통적으로 이러한 수준의 에너지 수요 밀도를 고려하여 설계되지 않았습니다. 데이터 센터에 전력을 공급하는 것만으로도 엄청난 도전 과제가 될 것이며, 이를 수행하기 위해서는 막대한 양의 물이 필요할 것입니다.

하지만 다른 산업 분야들도 모든 데이터 센터보다 훨씬 더 많은 에너지를 소비하며, 따라서 발전 과정에서 발생하는 간접적인 물 사용량(Indirect water usage)도 더 많습니다. 예를 들어 철강 및 철 제조, 화학 및 석유 화학, 시멘트 및 유리 제조 등 많은 다른 산업들은 모든 데이터 센터를 합친 것보다 각각 몇 배나 더 많은 전력을 사용합니다.

재생 에너지, 물 회수, 그리고 원자력

하이퍼스케일러(Hyperscalers)들에게 데이터 센터 전력 문제에 대한 단기적인 해결책은 (때로는 법을 어기는) 이동식 메탄 제트 터빈(Mobile methane jet turbines)을 사용하는 것이었습니다. 이것들은 물 소비가 그리 많지는 않지만, 막대한 탄소 배출로 인해 자체적인 환경 파괴 영향을 미칩니다.

이 문제, 그리고 바라건대 이러한 시설들의 극단적인 간접 물 수요에 대한 장기적인 해결책은 재생 에너지(Renewables), 원자력(Nuclear power), 그리고 물 회수(Water recovery)의 조합이 될 것입니다.

Switch Tahoe Reno 엑사스케일(Exascale) 데이터 센터는 이것이 어떻게 가능한지를 보여줍니다. 이 시설은 2017년에 구축된 650MW 규모의 시설로, 100% 재생 태양광 에너지를 사용합니다. 포르투갈의 SINES DC Start Campus는 1.2기가와트(Gigawatt) 규모의 시설로, 부분적으로 가동 중이며 100% 재생 에너지를 사용할 뿐만 아니라 물 사용량을 상쇄하기 위해 해수 냉각(Seawater cooling)을 사용합니다. 비록 많은 최신 데이터 센터 프로젝트들이 훨씬 더 규모가 크지만, 태양광 배치 비용이 계속 급락함에 따라 재생 에너지로 구동되는 데이터 센터가 막대한 양의 물을 소비하지 않고도 효과적이고 수익성을 낼 수 있는 것은 분명 가능합니다.

또 다른 대안은 원자력 에너지 (Nuclear energy)입니다. 새롭고 더 작은 원자로 설계 덕분에 이러한 시설들을 더 빠르게 가동하고 더 모듈식 설계 (Modular design)로 구축하는 것이 가능해지고 있습니다. 심지어 선상에 원자로를 탑재한 오래된 항공모함이나 잠수함을 재활용하여 데이터 센터 시설에 전력을 공급할 가능성도 있습니다.

데이터 센터 개발자들은 이것이 미래를 위한 최소한 하나의 경로라는 점을 알고 있습니다. 그렇기 때문에 그들은 우라늄 (Uranium)과 같은 핵심 자원에 대한 접근권을 확보하기 위해 서두르고 있습니다.

데이터 센터 전력, 특히 AI 데이터 센터의 미래와 그들이 필요로 하는 물의 문제는 거의 확실하게 재생 에너지 (Renewables)와 인근 원자력 발전 (Near-site nuclear power)의 혼합 형태가 될 것입니다.

데이터 센터에 나타나고 있는 이동식 메탄 터빈 (Mobile methane turbines)이 보여주었듯이, 개발자들은 종종 손에 넣을 수 있는 것을 그대로 사용하곤 할 것입니다. 아마도 건설 중단 (Moratoriums)이나 일시 중단과 더불어, 데이터 센터 반대 시위자들은 데이터 센터가 지역 사회에 건설될 경우, 개발자들이 더 많은 재생 에너지 솔루션과 함께 계속해서 증가하는 수요를 상쇄할 수 있도록 수자원 인프라에 투자하도록 요구할 수도 있습니다.

Jon Martindale은 Tom's Hardware의 기고가입니다. 지난 20년 동안 그는 PC 부품, 신흥 기술, 그리고 최신 소프트웨어 발전에 대해 글을 써왔습니다. 그의 깊고 폭넓은 저널리즘 경험은 오늘과 내일의 가장 흥미로운 기술 트렌드에 대한 독특한 통찰력을 제공합니다.