데이터센터 효율화 위한 차세대 AI 컴퓨팅 GPU 서버 냉각·소화 시스템의 연구 = A Study on GPU Server Cooling and Fire Extinguishing System for Next Generation AI Computing Infrastructure for Data Center Efficiency

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Rising heat density in GPU-accelerated servers has amplified the risk of incipient fires and thermally induced hardware degradation in modern data centers. This study proposes a dual-safety hybrid that integrates (i)thermo-responsive, power-independent suppression capsules with (ii) a direction-steerable rotary cooling unit. Unlike conventional solutions that depend on continuous power, sensors, and controllers, the proposed architecture preserves functionality under blackout conditions, removing single points of failure. Experiments on a 2U server equipped with an RTX A6000 GPU (300 W TDP) reproduced high-load and thermal-surrogate conditions and employed thermocouples, high-speed videography, and infrared thermography for quantitative assessment. The system reduced average GPU temperature by ΔT ≈ 9.2 °C (≈11.2%), lowered fan power from 13 W to ~9 W (−30.7%), and—under fire-surrogate heating—triggered capsule discharge within ≤0.45 s, dispersing a non-conductive, non-corrosive fluorinated-ketone agent over a radius ≥ 25 cm. These results demonstrate that a power-agnostic, self-actuating cooling–suppression mechanism can mitigate fire risk and improve thermal/energy performance in data-center environments, supporting near-term applicability to unattended or power-unstable scenarios.

Keywords: data-center safety, GPU server, thermo-responsive suppression, passive actuation, rotary cooling, energy efficiency

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 필요성 3
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 데이터센터 및 GPU 서버의 열 환경 특성 5
• 1.1 GPU 병렬 연산 구조와 발열 메커니즘· 6
• 1.2 데이터센터 열 관리 구조 및 한계 9
• 1.3 고열 밀도의 서버 환경과 냉각 필요성 11
• 2. 열역학적 기초 이론 16
• 2.1 열전달 메커니즘: 전도, 대류, 복사 17
• 2.2 열 스트레스와 부품 열화의 상관 관계 22
• 2.3 열 모델링 국내외 연구 동향 26
• 2.4 회전 유동 기반 냉각 메커니즘의 열역학적 해석 32
• 3. 데이터센터 냉각 기술 34
• 3.1 전통적 공랭 기술의 구조와 한계 37
• 3.2 수랭(Liquid Cooling)의 원리 및 적용 사례 38
• 3.3 수랭(Liquid Cooling) 기술과 장단점· 42
• 3.4 냉각 제어 자동화 시스템의 한계 46
• 4. 플루오린화케톤(FK) 물리·화학적 특성 50
• 4.1 FK 소화제의 열 반응형 캡슐(고체)화(Microencapsulation) 기술 원리 54
• 4.2 열 반응형 캡슐 파열 후 잔여물 거동 및 자연 소멸 특성 59
• 5. 냉각–소화 융합 시스템의 필요성 61
• 5.1 열 반응 기반 자율 소화 시스템 구조 63
• 5.2 회전형 냉각 유닛의 제어 알고리즘 65
• 6. 관련 선행연구 고찰 69
• 6.1 해외 학술논문 및 특허 동향 71
• 6.2 기존 연구의 한계 및 본 연구의 차별성 75
• Ⅲ. 실험 재료 및 연구 방법 77
• 1. 실험 개요 및 연구 방법 77
• 1.1 시료 준비 및 장비 구성 80
• 1.2 실험 변수 및 해석 방법 81
• 1.3 실험 구성 요약 83
• Ⅳ 실험 결과 및 고찰 87
• 1. 실험 개요 및 절차 87
• 1.1 GPU 서버 내부 화재 발생 시 초기 거동 분석 88
• 1.2 FK 캡슐의 파열 및 냉각–소화 반응 90
• 1.3 화염 억제 및 완전 소화 단계 91
• 1.4 시스템의 정전 대비 성능 평가 94
• Ⅴ. 결론 96
• Ⅵ. 참고문헌 99