(초스압) 우주에 데이터센터를 건설할 수 있을까? > 자유게시판

https://www.newsis.com/view/NISX20240705_0002799990

지금 핵융합 안나오면 AI 진짜 망한다고!!!!

원전은 짓기 힘들고 핵융합은 맨날 구라핑만 찍어대자 완전히 정신이 나가버린 AI 기업들은 아예 지구를 떠날 생각을 하게 된다.
지구 땅떵어리 개좁아서 뭘 지을 수가 없는데 우주에 지으면 개 쩔지 않을까???

우리는 머스크를 사랑해

AI 기업들의 뽐뿌를 진정시킬 겨를도 없이 하입 트레인에 올라탄 것은 까와 빠를 미치게하는 슈퍼스타 멜론 머스크. 머스크가 우주 데이터센터 구상을 언론에 공언하면서 세상은 바야흐로 대 우주태양광 시대를 개막하게 된다.

우주 태양광의 효율성은 우주 갓겜 팩토리오를 통해서도 입증할 수 있다

하지만 우주 태양광의 효율을 높게 평가하는 만큼 그 가능성을 의심하는 사람도 많은 판국, 어려운 문제라면 제대로 따져봐야겠지? 우주 데이터센터가 과연 현실적인 계획인지 천천히 알아보도록 하자.

근데 그냥 발전만 우주에서 하면 안됨?

사실 생각해보면 굳이 GPU까지 우주로 쏘는 건 너무 번거롭고 힘든 일 같다. 그냥 태양광 패널만 쏴서 발전만 우주에서 하고 지구에서는 에너지 빔을 받아서 데이터센터에 써먹으면 안될까?

당연한 의문이다. 본론으로 들어가기 전에 간략히 답변하면, 기술적으로 불가능하다. 최소한 현재로서는 그렇다.
우주에서 태양광으로 발전하는 것 자체는 당연히 가능하다. 그렇다면? 전력 전송이 문제다.

https://newsteacher.chosun.com/site/data/html_dir/2019/02/27/2019022700005.html

우주 태양광 구상에서 현재 논의되고 있는 전력 전송 방식은 마이크로파와 레이저, 두가지가 있다. 이중 레이저는 날씨의 영향을 많이 받기 때문에 안정적으로 써먹기가 힘들고, 주류는 마이크로파를 이용한 전력 전송이다.

마이크로파는 대기와 수분에 의해 거의 흡수되지 않기 때문에 구름등의 악천후를 무시할 수 있고, 전기로 바뀌는 효율도 매우 높아 전력 전송에 매우 유리하다. 엣 그럼 가능한거 아님?
아니다. 핵심적인 문제는 물리학의 근본 법칙인 ‘회절’이다.

레이저 포로 저 멀리 떨어진 우주 전함을 격추하는 우주 함대전은 SF물의 클리셰이다. 그런데 이런 묘사가 정확한 묘사일까?

레이저도 마이크로파도 근본적으로는 빛의 한 종류이다 (빛=전자기파). 모든 빛은 회절이라는 현상을 통해 주변으로 퍼져나가려는 못됀 습성이 있는데, 이 때문에 긴 거리를 이동하는 빛은 좁고 강한 레이저 빔으로 시작했더라도 갈수록 점점 넓고 약한 조명으로 변한다.

일례로, 지구에서 야밤에 달을 향해 레이저 포인터를 쏜다면, 시작 지름은 몇 mm 수준에 불과했던 레이저가 도달할 때는 반지름이 수 km에 달하는 널찍한 손전등이 된다. 퍼진만큼 단위 면적당 세기가 줄어드는건 덤이다.

문제는 빛의 파장이 길수록 회절 현상은 심해진다는 것. 가시광선 영역대인 레이저도 이 정도인데, 마이크로파는 레이저보다 파장이 10만배 넘게 길다. 구름 투과고 뭐고 그냥 지구 전역에 노이즈 뿌렸음 기계가 되는 것이다.

아니 기사에서는 90% 이상 효율이라던데?? 하지만 뉴스에 써져있다고 다 사실은 아닌 법. 진실은 다음과 같다.

실험 1: 중국 연구진이 약 100m 거리에서 87%의 효율로 안테나에 마이크로파를 전송하는데 성공했다. 그러나 실제 전기로 변환된 효율은 약 20% 정도에 지나지 않았다.
실험 2: 미국 연구진이 우주로 쏘아올린 위성에서 지상까지 마이크로파를 전송하고 감지하는 데 성공했다. 그러나 실제로 전송받은 것은 간신히 첨단 기기로 노이즈에서 분리 가능한 수준의 미미한 것으로, 효율은 1%도 채 되지 않았다.

두개의 독립적인 실험에서 유리한 부분만 빼내서 조립한 결과 우주에서 지구까지 마이크로파를 전송할 수 있으며, 효율은 약 90%에 달한다라는 동화 같은 이야기가 완성된 것이다. 물론 과학적 현실과는 거리가 멀다.

아니 그럼 방법이 없음??? 물론 이론적으로 방법은 있다. 지구에 수 km수준의 거대 안테나를 건설하고, 우주에도 1km쯤 되는 송신용 안테나를 설치하는 것이다.

문제는… 우주에 1km쯤 되는 구조물을 설치할 방법이 없다. 현재까지 인류가 건설한 최대 규모의 건축물은 국제 우주정거장으로, 축구장 정도인 약 100m 정도의 규모에 저궤도를 돌고있다. 이건 어떻게 건설했냐고? 우주 비행사들이 목숨걸고 손으로 조립했다. ㄹㅇ루다가.

감사합니다 GOAT

지상 전력 송신용 안테나는 국제 우주 정거장과는 상황이 많이 다르다. 일단 규모부터가 압도적이고, 얘는 여러 조건상 저궤도가 아니라 정지 궤도에 쏴올려야 한다. 지상 안테나와 항상 정렬을 유지해야 하기 때문이다.

우주 저궤도는 한 고도 100~400 km정도, 그럼 정지궤도는? 무려 고도 36000km에 달한다. 당연히 높으면 높을수록 로켓 수송이 힘들어질 뿐만 아니라, 말 그대로 치명적 문제가 있다.

우주 방사선

우주 정지궤도의 위치는 우주 방사선이 지구 자기장에 의해 갇히는 구간인 밴 앨런대에 위치해 있다. 밴 앨런대를 떠도는 방사선의 양은 체르노빌 사건 당시 근처 도시인 프리피야트에 노출되었던 방사선의 양과 필적한다.

우주선을 타고 있다면 우주선이 차폐해 주겠지만, 만약 안테나를 손으로 조립하느라 우주복만 입고 나와있다면 단 일주일만 머물러도 암 발생 확률이 급증하는 수준이며, 재수 나쁘게 태양 폭풍이 터지기라도 한다면? 즉사한다.

그럼 로봇으로 조립하면 어떨까? 물론 모두가 그 생각은 하고 있지만, 수 km의 구조물은커녕 우주에서 뭘 로봇으로 조립해 본 적이 없다. 우주에서의 자동화된 로봇 조립은 아직 초기 개념 증명 단계도 통과하지 못했으며, 예측 가능한 시일 내에 상용화될 기약이 없다.

설령 어떻게 안테나를 건설했다고 해도, 현재 시점에서 전송 효율은 처참한 실정이다. 효율이 90%에 달한다는 건 마이크로파가 이동하는 동안의 송신효율만을 계산한 것이고, 마이크로파를 받아서 전기로 변환하는 효율은 계산에서 빠져있다. 위에서 언급한 중국 연구진의 실험에 따르면 변환까지 다 계산하면 효율은 약 20% 정도에 지나지 않았는데, 이 정도면 지상 태양광과 비교해도 딱히 우위가 없는 수준이다.

그런고로 우주 태양광을 쓸 거라면 데이터센터도 우주에 지어야 한다. 하긴 지상 전력 전송이 됐으면 머스크도 그 이야기부터 했겠지.

우주 데이터 센터를 지을 수 있을까

간략하게 이야기 하겠다고 해놓고 서론이 길었다. 태양광만 우주에 짓는 것이 불가능하다면, 본 주제인 우주 데이터 센터는 가능할까? 일단 어느정도 규모가 될 지부터 정해야 한다.

기왕 우주에 가는 거 기가와트급은 올려야 하지 않을까??? 하지만 처음부터 그런걸 우주에 올리기는 좀 쫄리니까 적당히 사이즈를 조절하자. 100 메가와트 급이면 비현실적으로 크지 않으면서도 우주공간에 올리는 의미가 있을 정도는 될 것 같으니, 지금부터는 100 메가와트를 기준으로 계산하곘다. 참고로 스페이스 X의 지상 데이터 센터인 콜로서스 1이 300 메가와트 정도 된다.

이 문제는 상당히 복잡한 문제이기 때문에, 몇가지로 나누어서 확인할 필요가 있다. 이 글에서는 다음과 같이 섹션을 나누겠다.

1. 조립
2. 방열
3. 발전
4. 운용 및 통신
5. 정비 및 기타
6. 비용

목차만 봐도 질린다면 초스압이라고 적어둔 제목을 보고도 들어온 개붕이의 잘못이다. 이제 하나하나 풀어보도록 할까? 개붕아 이리와서 좀 앉아봐라.

조립 – 충분히 가능

언급했듯이, 인류는 우주상에서 구조물을 자동으로 조립할 기술이 없다. ISS등의 구조물은 모두 인력으로 조립한 것인데, 데이터센터같은 거대한 구조물은 그게 안된다.

아직 우주 자동 조립 기술은 걸음마단계조차 떼지 못했지만, 그래도 방법은 있다. 머스크의 발상에 따르면, 거대한 하나의 우주 건축물을 조립하는 것보다, 하나의 위성에 태양광 패널, 방열판, GPU, 기타 부품등을 모두 포함해 위성 하나하나가 그 자체로 작은 데이터센터 역할을 하게 하는 것이 현실적이다. 이 위성들을 수천 수만개 쏴올려 군집 위성을 통해 거대한 데이터 센터를 건설할 수 있다.

이러한 군집 위성 구조는 이미 스타링크등을 통해 검증된 구조, 즉 길게 따져볼 것도 없이 충분히 가능하다.

방열 – 기술적으로 가능

우주에서 방열이 어렵다는 사실은 의외로 잘 알려진 과학적 상식이다. 우주 공간의 온도 자체는 절대 영도에 가깝지만, 진공상태여서 열을 빼앗아가 줄 물질이 없기 때문에 냉동실에 넣은 보온병 신세다.

하지만 우주에서 정말로 방열이 불가능할까? 열 전달에는 크게 세가지 방식이 있는데, 전도, 대류, 복사이다. 전도와 대류는 우주공간에서 사용할 수 없는 방식이지만, 복사는 다르다. 복사 냉각은 오히려 우주공간에서 더욱 효율적이다.

사람 역시 적외선 복사의 형태로 열을 방출한다.

모든 물체는 온도에 따라 자연적으로 빛을 내뿜으며, 빛을 내뿜은만큼 식어간다. 지구상에서야 너도 나도 비스무리하게 20~30도쯤 되니 주는 빛이나 받는 빛이나 비슷해서 큰 의미가 없지만, 주변 거의 모든 것이 절대 영도에 가까운 우주 공간에서는 상당히 효과가 커지게 된다.

게다가 뜨겁게 달군 철이 밝게 빛나듯, 온도가 높아질수록 내뿜는 빛은 더욱 강해진다. 뜨거우면 뜨거울수록 냉각이 쉬워진다는 뜻이다. 국제우주정거정 같은 시설은 인간이 거주하기 때문에 30도만 되어도 죽는 소리가 나오고 40도에선 ㄹㅇ 죽지만, GPU는 50도 정도면 아주 쾌적한 온도다. 목표 온도를 높임으로써 방열의 효율을 높이기가 유리하다.

물론 이것 저것 다 따져도 지구상에서의 전도, 대류 냉각보다야 단위 면적당 효율에서 떨어지기는 하지만, 이 정도로 괜찮은 방열 방식을 두고 불가능이라는 너무 강한 말을 쓰는 것은 약해보일 수 있으니 “다소 비효율적”이라는 적절한 표현을 쓰도록 하자.

그러면 방열판이 얼마나 필요할까? 지루하고 현학적인 계산과정은 생략하고 누가 계산해놓은 것을 베껴오겠다 (https://arxiv.org/abs/2604.27197). 100 메가와트 기준, 필요한 방열 표면적은 약 여의도 면적의 10분의 1 정도이다.

한국인이라면 모든 것을 여의도 면적에 비유하는 것이 “상식”이잖아??

갓-단위인 SI 단위계로 표시했을 때는 250,000 m^2이다. 비교를 위해 다른 수치를 가져오자면, 현재까지 가장 거대한 우주 구조물인 ISS의 총 표면적은 약 2,500 m^2이다 (그 중 방열판 면적은 42 m^2). ISS 전체를 대략 백번을 쏴제껴야 간신히 방열 시스템 하나를 완성할 수 있다는 뜻이다.

단, ISS가 건설된 연도는 1998년이다. 당시에는 재사용 가능 로켓이 없었기 때문에 킬로그램당 운송 가격이 천만원을 넘나들었다. 그러나 스페이스 X를 필두로 민간 로켓 기술의 획기적인 발전 덕분에 현재의 운송가격은 그 10분의 1에 불과하다. 물론 여전히 꽤 비싸긴 하지만, 기술 발전을 고려하면 우주 데이터 센터를 뒷받침할 방열 시스템의 구성은 기술적으로 가능하다고 보아야 할 것이다.

발전 – 기술적으로 가능

이 모든 짓거리가 우주 태양광은 효율이 놓다는 사실에서 출발했으니, 따져 볼 것도 없이 발전은 기술적으로 가능해야 하는 것이 아닐까? 하지만 너무 성급하게 결론으로 뛰어가지 말고, 천천히 따져보도록 하자.

우주 태양광의 장점은 태양 에너지가 우주에서 더 강한 것과, 밤이 없고 날씨의 영향을 받지 않는다는 것이다. 어느정도의 장점인지 살펴보자.

대기중으로 흡수되어 지표면에 도달할 정도로 약해지는 지구상의 태양광과는 다르게, 우주에서는 태양광의 도달을 방해할 것이 거의 없기 때문에 그 빛이 온전히 도달한다. 따라서 당연히 태양에너지가 우주에서 더 강할 수밖에 없는데, 그 격차는 무려 40%에 달한다.

…40배가 아니라 40%?

지표편에서의 평균 태양에너지는 약 1000 W/m^2 수준(적도 기준)이고, 궤도상 태양광은 1361 W/m^2 이니 구라치는게 아니고 정말로 40% 정도 높다.
다만 이 수치는 밤과 날씨의 영향을 무시하고 맑은 정오 시간대에서 계산한 것이다. 당연히 우주에는 구름도 밤도 없으니, 이 수치보다는 훨씬 격차가 클 것이 분명하다. 하지만 팩트는, 사실 우주의 위성에게도 밤은 찾아온다는 것이다.

저 어두운 면에 위성이 들어가게 되면 밤이 온다.

지구를 공전하는 위성이 지구의 뒤에 숨어 그림자에 가려지는 순간이 존재하기 때문이다. 우주 데이터센터의 타겟 궤도인 저궤도에서 위성은 90분에 한번씩 지구를 공전하며, 이중 30분은 밤이다. 대략 밤이 33% 정도의 시간을 차지하는 것이다. 아니 밤이 생각보다 긴데?

그러나 꼼수가 있다. 저궤도에는 태양 동기 궤도, 특히 그 중에서도 황혼-새벽 궤도라는 특수한 궤도가 있는데, 이 궤도는 낮과 밤의 아슬아슬한 경계면에 걸침으로써 항상 태양빛을 유지할 수 있다. 100%는 아니고 계절에 따라 10분 정도의 짧은 일식 시간이 발생하긴 하지만, 거의 대부분의 시간을 태양빛을 받으며 지낼 수 있다는 이야기다.

하여간 이런 저런 팩터들을 다 계산하면 우주 태양광의 단위 면적당 발전량은 지구 태양광보다 약 7배 정도 높다. 두 자리수가 아닌 건 아쉽지만 상당히 유의미한 수준의 배율이다. 그럼 계산을 해볼까?

우주 태양에너지가 1361 W/m^2, 태양광 패널 효율이 20% 정도, 그러면 단위 면적당 발전량은 270 W/m^2이다. 이제 100MW급 데이터 센터에 전기를 공급하기 위한 발전 면적을 계산해보면… 고작 370,000 m^2의 태양광 패널만으로 전기를 충당할 수 있다!

엥? 방열판보다 더 넒은 면적이 필요한데?

그렇다. 일반적인 통념과는 달리, 우주공간에서 방열하는 것 보다 발전하는 것이 더 힘들다. 태양광의 효율이 지상보다 훨씬 높다고는 하나, 결국 태양광이라는 것이 근본적으로 단위 면적당 발전량이 그렇게 높은 발전 방식이 아니기 때문이다.

그래서 방열판의 1.5배 정도 되는 태양광 패널을 우주로 쏴올려야 한다는 건데, 그래도 방열판을 쏘는 것도 기술적으로 가능은 하니까 그것의 1.5배 정도인 태양광 패널을 추가로 쏘는 것도… 하… 씁… 하…. 기술적으로 가능하다고 하자.

운용 및 통신 – ㅋㅋ

좋다, 드디어 데이터센터를 우주로 쏴올렸다! 그렇다면 데이터센터를 본격적으로 써먹어야겠지?
가장 처음 생각해볼 수 있는 용도는 사용자의 요청을 처리하고 답변을 생성하는 추론 서버다. 추론은 상대적으로 요구 사양이 적으므로, 우주 데이터 센터의 시작을 장식하기에 알맞다.

문제는… 추론에 못 써먹는다는 것이다. 추론은 사용자와 서버가 데이터를 주고받는 만큼, 지상과 위성간의 안정적인 연결이 중요하다. 그런데 언급했듯, 우주 데이터센터는 저궤도에 건설 예정이다. 저궤도에서 위성이 어떻게 보일까?

저궤도에서 위성은 지상에 추락하지 않기 위해 엄청난 속도로 공전하므로, 지상 데이터 업링크와 안정적인 연결 유지가 힘들다. 안정적으로 계속 통신해야 하는 추론 서버에게는 치명적인 조건이다. 연결이 불안정한 데이터센터를 대체 어떻게 써먹을 수 있을까? 해답은

지상과 통신을 안시키면 되잖아.

추론과는 다르게 학습 과정은 지상과의 잦은 통신을 요구하지 않으며, 한번 시간 들여서 훈련데이터를 전송해두면 여러 학습 과정에서 재활용될 수 있다. 중간중간 틈틈이 체크포인트(세이브 파일)을 받는데는 대역폭이 그리 많이 필요하지도 않으니, 대부분의 우주 데이터 센터 논의는 학습 전용 서버를 염두에 두고 이루어지고 있다.

그러면 학습이 잘 되는지 볼까?

조립 파트에서 우주 데이터센터는 여러 위성의 군집체로 이루어질 것을 언급했다. 실제로 머스크는 이미 AI1이라는 AI 위성 구상도를 제시한 적이 있다. 이 위성은 엔비디아 최신 GPU인 GB300을 72개 수용할 수 있는 정도의 스펙이다.

삼성과 하이닉스 성과급을 보면 알 수 있듯, AI 학습에는 메모리가 아주, 아주 중요하다. GB300 72개의 총 메모리 양은 약 20 TB 정도. 커다란 메모리 풀이지만, 점점 커지는 최신 프론티어 모델을 학습시키기에는 다소 부족한 감이 있다. 프론티어 모델 학습을 못 시키는 데이터센터를 어디다 써먹음…?

하지만 다행히도, 최신 프론티어 모델들은 무식하게 모델 크기를 때려박은 구조가 아닌, 전문가 혼합 모델 (Mixture-of-Expert, MoE) 구조를 가진다. 이해하기 쉽게 설명하면, 커다란 모델 하나의 내부에는 수학 전문가 모델, 물리학 전문가 모델, 인문학 전문가 모델 등등등 여러 작은 전문가 모델로 이루어진 위원회가 있는 것이다 (AI 전공자가 읽고 있다면 대충 쉽게 설명하려고 오류를 저질렀구나 하고 지나가길 바란다.).

그렇다면 모델 전체를 하나의 위성에 때려박는 것이 아니라, A 위성에는 수학 전문가, B 위성에는 물리학 전문가 …. 이런 식으로 나누어 담아서 학습시키는 것이 가능하다. 문제 해결!
헀다고 하고 싶지만, 아직 문제는 남아있다. 결국 커다란 모델이 작동하기 위해서는 모든 전문가들이 모여서 의견을 수렴하는 과정이 필요하다. 즉, 각 전문가를 적재한 위성들끼리의 통신속도가 매우 중요하다는 뜻이다.

의견 수렴 과정의 상상도

지상 데이터 센터에서는 이 역할을 인피니밴드라는 기술이 담당하는데, 대략 800 Gbps 정도의 대역폭과 수백 나노초수준의 레이턴시(핑)을 자랑한다.

광속의 절대적인 물리적 한계를 고려할 때 이정도의 속도를 달성하기 위해서 필요한 위성간의 거리는 100m 정도 (https://research.google/blog/exploring-a-space-based-scalable-ai-infrastructure-system-design/). 감이 잘 오지 않을 수 있겠으나, 우주적 스케일에서는 엄청나게 밀집되어 있는 구조이다. 스타링크 군집위성들 조차도 수백킬로미터의 거리를 벌리며, 일반 위성들은 수만 킬로미터씩 떨어져 있는 것이 흔하다.

간혹 도킹이나 광학적 탐사 임무가 필요할 때 두개의 위성이 잠시 100m의 거리를 유지하는 경우는 있으나, 천개 가까이 되는 위성이 일제히 100m 거리를 두고 밀집하는 것은 전례가 없다. 그리고 당연히 전례가 없는 데는 이유가 있다.

까딱하면 개☆박☆살

우주공간에서는 계속해서 이런저런 요인으로 궤도가 뒤틀리기 때문에 서로간에 충돌을 방지하기 위해 자세 교정이 필요하다. 100m의 거리에서는 현재까지의 자세 교정 기술보다 훨씬 정교하고 자동화된 자세 교정 알고리즘이 필요할 뿐만 아니라, 자세교정을 훨씬 자주 해줘야 한다. 자세 교정용 연료가 빨리 떨어져서 위성의 수명이 짧아진다는 소리다.

그리고 위성간의 거리가 이렇게 가까우면 방열에도 문제가 생긴다. 방열 파트에서 우주공간에서는 주변 거의 모든 것이 절대영도라고 했던 것을 기억하는가? 이제 불과 100m 거리에 핫한 열원이 수백개씩 생겼다! 가열된 위성 본체와 방열판이 다른 위성의 방열 각도를 가리기 때문에, 안 그래도 많이 필요한 방열판이 더 많이 필요해질 것이다.

그리고 이정도로 밀집된 구조는 파편의 연쇄발생에 취약하다. 파편이 운 없는 위성 하나를 쳐서 파편 조각들을 만들어내면, 그 가까운 거리에 있는 다른 위성이 파편을 맞을 가능성이 높아진다. 그러면 그 위성이 또 파편 조각을 만들어내고, 이렇게 반복되어 국소적인 케슬러 신드롬을 일으킬 가능성도 있다.

무엇보다도 일단 위성을 이렇게 밀집된 상태로 유지시켜본 적이 한번도 없다는 것이 문제다. 구글의 계획에 따르면 2개짜리 밀집 위성 시스템을 2027년에 성공적으로 테스트해보는 것이 목표라고 하는데, 모든 게 잘 풀려도 이걸 수백 수천 수만개짜리 밀집 군집 위성 시스템으로 스케일 업시키는 데는 오랜 시간이 걸릴 것이다. 현 시점의 기술력으로, 쓸만한 통신 거리를 유지하면서 100MW 짜리 우주 데이터센터를 건설하는 것은 기술적으로 불가능하다고 해야 할 것이다.

차폐, 정비 및 감가상각 – 마 자신있나

하지만 !잔짜잔! 불가능이라는 것은 없군요.

기가 맥힌 기술의 발전으로 위성간 거리를 100m 이하로 유지하는 것이 케이크 먹는 것 보다 쉬워졌다. 방열 같은 부작용도 전혀 없다! 그런 기술이 어딨냐고? 단군 할아버지가 내려와서 하사해주고 가셨다고 하자. 아직 내용이 남았는데 글이 끝나버리면 아쉽다.

AI 위성을 우주공간에서 성공적으로 운용하기 위해서는 우주방서선 차폐가 필수적이다. 저궤도에서의 우주방사선은 지상에서의 수백배정도 되는데, 태양폭풍이 일어나기라도 하면 거기서 추가로 10배 가까이 증가한다. 이걸 GPU가 맞으면 내부 데이터가 지맘대로 바뀌면서 난리가 난다.

다행히 구글의 테스트에 따르면, 별도 처리를 하지 않은 TPU조차도 방사능에 생각 이상으로 잘 버티기 때문에, 일반 TPU로도 15년간은 거뜬히 버틸 수 있다고 한다. 그럼 별 문제가 아니네… 그럴까?

HZE 방사선은 DNA를 찢어

구글의 테스트는 상대적으로 차폐가 쉬운 양성자 방사선만을 대상으로 했다. 하지만 우주 방사선에서 가장 까다로운건 차폐도 거의 불가능한데 힘도 무지막지하게 센 HZE 방사선들이다. 이것들은 양성자 방사선의 수십만배에 달하는 에너지를 가지고 있으며, 무겁기도 더럽게 무거워서 차폐막을 다 뚫어버린다. 특수 차폐막을 써도 기껏해야 에너지를 좀 줄여주는게 한계다.

막을 수도 없는 방사선들이니 해답은 오로지 GPU 자체의 오류 체크 기능을 강화시키는 것이다. 물론 이렇게 오류체크 기능이 강화되면 성능은 떨어지고 무게는 올라간다. GB300 72개는 커녕 그보다 성능은 낮으면서 양은 더 적은 GPU만을 싣고 올라가야 할 수 있다는 뜻이다. 우주 데이터센터만을 위한 소량 생산이니 단가가 올라가는 건 그냥 덤이다.

이번엔 수리쪽을 보자. 위성을 자동으로 조립할 기술이 없다는 것은 이미 언급했다. 당연히 위성을 자동으로 수리할 기술도 없다. 연료 보충까지는 한두번 해본 적이 있는데, 내부 장비 수리같은건 인간이 상주하는 우주 정거장을 제외하면 사례도 기술도 없다.

그럼 위성 하나가 고장나면 어떻게 하면 될까? 가장 쉬운 방법은 고장난 위성을 떨구고 새 걸 다시 쏘는 것이다. 사실 수리에는 전문인력의 모니터링이 필요하고 대단히 정교한 로봇 팔 기술도 필요하다는 것을 고려해보면, 수리 기술이 나와봤자 떨구고 다시 쏘는 것보다 오히려 비쌀 가능성도 높다. 물론 고장난 위성을 재활용할 방법은 없다. 내부 부품은 대기권 돌입과정에서 싸그리 타고 파괴되어버릴 것이기 때문이다.

여러분의 투자금이 터지고 있습니다!

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2024/08/Cluster_satellite_reentering_Earth_s_atmosphere

결국 태양광, 방열판, GPU, 통신 및 기타 제어를 위한 온갖 부품들… 이 중 단 하나만 고장나도 전체 위성을 버려야하는 시스템이다. 그래도 위성 한두개 정도 고장나면 눈물을 삼키고 그냥 교체할 수 있다. 하지만 모든 위성을 다 갈아버려야 한다면 어떨까?

연산 하드웨어의 발전은 가파르다. 현 시점의 최신 칩이 3~4년만 지나도 구형이 되어버린다. 2022년 칩인 H100/H200은 이미 점점 Blackwell 칩으로 교체되어 가는 중이다.

그런데 개별 위성에 접근해서 칩을 교체하는게 가능한가? 말했듯이, 현 시점에서는 불가능하다. 그러면 3~4 년마다 위성을 다 추락시키고 다시 쏴올려야 한다. 단계적 교체로 데이터 센터 기능 자체는 유지한다 치더라도, 어쨌든 몇 년 주기로 초기 구축 비용을 그대로 다시 지불해야 한다는 뜻이다.

자세한 계산은 아래에서 하겠지만… 결국 비싸고 성능도 떨어지는 칩을 꾸역꾸역 막대한 초기 비용을 지불하고 쏴올려도, 3년마다 그 비용이 그대로 든다는 소리가 된다. 결국, 이런 계획은 기술적으로는 가능할 지 몰라도 비현실적이다.

비용 – 지상에게 밀림

현 시접에서 가장 비용 효율적인 우주 로켓은 스페이스 X의 팔콘 헤비이다. 그러나 이보다 더 효율적인 왕복선 스타쉽 V3가 올해 하반기를 목표로 개발중이다. 그정도면 가까운 미래니, 스타쉽 V3를 기준으로 잡고 계산하곘다.

우주로 날아가는 머스크의 꿈과 희망

스타쉽 V3의 발사 당 화물 무게는 100톤 정도, 물론 부품을 최대한 재사용해서 비용을 줄였을 때의 기준이다. 아직 개발중이어서 변동이 있을 수 있지만, 상업적 발사 비용은 9000만 달러이다. Kg당 900달러 정도 수준이다. 팔콘 헤비 절반수준이지만, 충분치 않다.

머스크는 AI1 위성의 구상도를 제시한 바가 있는데, 이게 개당 2톤정도 된다. 구상도일뿐이어서 실제로 좀 더 무거워질 가능성을 생각하면 스타쉽 V3에 30~50개 정도 태울수 있다는 이야기고, 총 발사 비용은 12억~20억 달러정도로 계산이 된다. 이게 어느정도냐고?

스페이스 X의 300MW 규모 지상 데이터센터인 콜로서스 1이 인프라 구축 비용까지 다 합쳐서 70억 달러정도가 들었으니, 100MW당 23억달러 수준이다. GPU 구매 비용과 위성 제작 비용을 제외하고 오직 발사 비용만 따져도 유사 규모 데이터 센터 총 건설 비용과 비슷한 수준의 비용이 드는 셈이다. 다시 말하지만, 지상 데이터센터는 GPU 비용과 인프라 구축 및 건설 비용이 다 포함된 가격이고, 우주 데이터센터는 순수 로켓 발사 비용만 따진 가격이다.

AI1위성의 가격이 공개된 바는 없지만 (아마 스페이스X 본인들도 만들어 본 적이 없어서 모를 것이다), 우주 데이터센터용 GPU의 높은 단가, 정교한 자세 제어를 위한 하드웨어 가격, 우주용 태양광 패널 및 방열판의 높은 비용등 종합적으로 고려해보면 지상 데이터센터보다 초기 비용이 몇배는 비쌀 것으로 예측할 수 있다. 하지만, 계산을 위해 위성 자체 비용은 동일 규모 지상 데이터센터와 같은 값이라고 가정하자. 굉장히 관대하게 가정해준것이다.

AI1 위성의 구상도

연간 유지비를 한번 계산해보자. GPU를 4년마다 교체해야 할 경우 우주 데이터센터는 발사비용 + 위성비용 총 연간 9~11억 달러가 들어간다. 지상데이터센터 유지비의 경우 총 건설비용중 GPU 가격의 비중에 따라 다르기는 하지만, GPU가격이 100%여서 인프라 재활용으로 절약하는 금액이 하나도 없다고 쳐도 전기요금 + GPU 구매 비용을 합쳐서 연간 6.75억 달러가 들어간다. 참고로 여기서 전기요금은 1억달러에 불과하다. 전기요금은 미국의 원전 균등화 발전 비용 110$/MWh으로 계산했는데, 태양광 균등화 발전비용 43$/MWh로 계산하면 오히려 더 싸진다.

편의를 위해 우주 데이터센터에 일방적으로 유리한 가정을 통해 계산을 해도 초기비용과 유지비 측면에서 지상 데이터센터보다 훨씬 비싸다. 이걸 뒤집으려면 로켓 발사 비용이 현재의 1/10으로 낮아져야 하며, 사실 그마저도 공평하게 제대로 계산하면 밀릴 가능성이 높다. 참고로, 이 글에서 계산용으로 사용한 머스크의 AI1 위성 구상도는 독립적인 논문의 계산보다 2-3배 넘게 가볍고 효율적인 수치를 주장하고 있는데, 실물이 계획대로 잘 나와줄지는 알 수 없다.

결론 – 이걸 하겠다고?

종합해보면 방사선 차폐와 통신이라는 중대한 기술적 문제에 대한 마땅한 해결책이 없으며, 기술적 문제를 해결됐다 치고 우주 데이터센터에게 아주 편파적으로 비용을 계산하더라도 지상 데이터 센터보다 비싸다.

결국 우주 데이터센터는 2030년 중반쯤에는 매우 효율적인 위성이 만들어 질 것이며 로켓 발사 비용이 굉장히 저렴해질것이고 통신과 차폐문제가 완전히 해결될 것이라는 가정위에 설계되어 있는데, 기술 개발을 어디서 보장받은게 아니라는 것이 문제다. 먼 미래에 로켓 기술이 발달할 수는 있지만, 그럼 지상 발전기술은 노냐?

머스크의 계획은 당장 내년까지 100MW도 아니고 1GW짜리 데이터센터를 궤도상에 올리고, 매년 그 10배씩 올려서 30년대 초반쯤에는 1TW짜리 우주 데이터센터를 확보하는 것이다. 이 글을 쭉 봤으면 알겠지만, 그냥 불가능하다. 로켓발사 비용만 미국 국가 예산 규모가 나온다.

결론적으로 우주 데이터센터를 진지하게 쏴올리겠다는 논의는 시기상조이며, 미래에 기술이 많이 발전하면 혹시나 가능성이 있는 정도로 정리할 수 있다. 냉정하게 말하면, 지금 이루어지고 있는 논의들은 스페이스 X 및 각종 AI 기업의 밸류 업을 위한 마케팅 하이프 정도로 보인다. 하지만 어쨌든 내 계좌만 두둑해지면 되는게 아닐까? 스페이스 X 안들어간 호구 없제?

세줄 요약: 그냥 지상에 지어라.