AI 확장이 전력망을 초과 부하 상태로 몰아가고 있다: 에너지 투자 시 반드시 알아야 할 7가지 논리
저자: 조셉 아유브
번역·편집: TechFlow
TechFlow 리드: 모두가 컴퓨팅 파워와 모델에 대해 논하고 있지만, 이 글은 더 근본적인 질문을 제기한다. 에너지 공급이 따라갈 수 있을까? 모건 스탠리(Morgan Stanley)는 미국이 2028년까지 45GW의 전력 부족에 직면할 것이라고 예측했다. 대형 변압기의 납기 기간은 이미 24~36개월에 달했고, AI 데이터센터의 전력 소비는 매년 15%씩 증가하고 있다. 저자는 이를 바탕으로 전력망 분열에서 고체 상태 변압기, 양상 액체 냉각에 이르기까지 7가지 투자 논리를 도출해냈다. 시각은 비주류이지만 핵심적이다.
전문:
엔비디아(NVIDIA)는 최근 “AI는 다섯 층으로 된 케이크”라는 프레임워크를 발표했다. 오늘 나는 에너지 계층이야말로 지능형 성장의 본질적 제약 요인임을 입증하고, 그 결과를 탐구하려 한다.
인류 문명의 진보는 우리가 도구를 다루는 능력의 산물이다—망치, 불, 말, 인쇄기, 전화, 전구, 증기기관, 라디오, 그리고 AI까지도 마찬가지다. 이러한 ‘도구’들은 인간이 에너지를 생산성으로 전환하는 방식이다.
근본적으로, 우리는 에너지를 포착하고, 이를 도구를 통해 목표에 집중함으로써 인간의 생산성을 향상시켜 왔다.
요약하자면, 인류 문명 진보의 핵심 논리는 다음과 같다:
인류 역사 대부분 동안, 인간은 경작이나 서술과 같은 목적 달성을 위해 신체 에너지와 손을 도구로 삼았다. 인쇄기는 에너지와 도구가 어떻게 함께 진보하는지를 보여주는 전형적인 사례다—1440년 구텐베르크(Gutenberg)에 의해 보급되었다. 이 혁신 이전에는 인간이 자신의 에너지를 소비해 손으로 글을 써야 했으며, 이는 극도로 비효율적이었다. 인쇄기는 새로운 도구를 창출하여 기계적 압인 방식으로 인간의 에너지 활용 효율을 획기적으로 높였고, 생산성은 여러 수준 이상 향상되었다. 그러나 1450년부터 1800년까지 약 350년간 인쇄기는 실질적인 혁신 없이 정체되었다. 인간이 석탄처럼 더 강력한 에너지를 다룰 수 있게 되면서야 비로소 에너지 측면의 등식이 바뀌게 되었다. 1814년 프리드리히 쾨니히(Friedrich Koenig)는 증기 동력 인쇄기를 발명해 당시 주도적이던 에너지원인 석탄에 인쇄기를 적응시켰고, 효율은 5배 향상되었다. 이후 인쇄기는 지속적으로 새로운 에너지원에 맞춰 고도화되었고, 시간당 인쇄량은 250부에서 50년 후 3만 부로, 오늘날에는 수백만 부에 이르렀다.
따라서 새로운 도구를 끊임없이 개발하고, 에너지 활용의 한계를 계속 확장하며, 사용 가능한 에너지에 대한 도구의 효율을 높이는 이 지속적 과정은 오늘날까지 이어지고 있다. 오늘날 지능은 우리가 집중하는 새로운 형태의 생산성이며, 에너지는 그 연료다. 핵심은 우리가 지능의 성장을 지속적으로 추진할 수 있는가 하는 점인데, 이는 GPU와 같은 도구를 구동하고 지능이라는 목표에 이를 수 있도록 하는 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 에너지를 얼마나 생산할 수 있는가에 달려 있다.
이 논지는 칼다쇼프 척도(Kardashev Scale)와 상호보완적이다—이 척도는 행성 단계에서 은하단, 우주, 다중우주에 이르기까지 문명이 얼마나 많은 에너지를 통제할 수 있는가에 따라 기술 진보 수준을 측정한다. 우리가 얼마나 많은 에너지를 통제할 수 있는가는 우리 문명이 얼마나 진보했는지를 나타내는 지표다. 역사적으로 이 법칙은 항상 성립해 왔으며, 미래에도 예외는 없다. 에너지를 통제하는 능력은 문명을 전진시키는 근본적 원동력이다.
본문의 핵심 주장은 다음과 같다: 에너지 수요가 공급을 급속히 초과하고 있으며, 이는 지능형 성장을 가로막는 최우선 병목 현상이다. 나는 이 주장을 일차적·이차적 영향 차원에서 살펴볼 것이다.
왜 에너지 공급이 둔화되고 있는가?
핵분열은 1939년에 발견되었으며, 인류 문명 탄생 이래 지금까지 우리가 이룩한 마지막 중대한 에너지 전환이다. 그러나 체르노빌 사고와 전 세계적으로 핵에너지에서 재생에너지로의 전환 약속 때문에, 1950년 이후 도구 혁신과 에너지 진보 사이에는 명백한 괴리가 생겼다. 1950년 세계 에너지 생산량은 2600GW였고, 오늘날은 1만9000GW(7.3배 증가)이다. 겉보기에는 비약적 성장처럼 보이지만, 이런 점진적 선형 성장은 현대 컴퓨팅 및 기술의 성장 속도에는 턱없이 못 미치며, 동시기 인구 증가(3.5배)조차 간신히 따라가고 있다.
반면 도구 혁신 간의 간격은 양자적 도약을 거쳐 점점 짧아지고 있다. 첫 인쇄기에서 다음 중대한 개선까지 364년이 걸렸고, 처음 비행에서 우주 여행까지는 58년, 첫 마이크로프로세서에서 인터넷까지는 20년이 걸렸으나, 오늘날 GPU의 중대한 도약은 2년마다 발생한다. 우리는 도구 효율성이 가속화되는 창을 살아가고 있으며, 여러 혁신이 가속화된 주기 속에서 서로 중첩되고 있다. AI에서 암호학, 양자컴퓨팅에 이르기까지, 새로운 혁신이 발견되는 속도는 점점 빨라지고, 그 효율성 향상 역시 더욱 급격해지고 있다—이것이 바로 ‘가속 보상 법칙(Accelerating Return Law)’이다.
오늘날 데이터센터는 세계 전력 소비의 1.5%를 차지하며, 2030년에는 3%에 달할 것으로 예측된다—즉, 6년 만에 증기기관이 50년에 걸쳐 달성한 성장을 이룬 것이다. 산업혁명과 현재의 지능 폭발의 핵심 차이점은 다음과 같다: 산업혁명은 수요 증가와 동시에 자체 에너지 공급을 구축했다—석탄 광산, 운하, 철도망 등은 이를 소비하는 기계와 동반하여 확장되었다. 이전의 모든 에너지 혁명은 규모 확장과 함께 자체 공급망을 구축했으나, AI는 이미 존재하는 공급망을 물려받았고, 이 공급망은 이미 붕괴되기 시작했다.
전력망은 연간 전력 소비가 15%씩 증가하는 지능 폭발에 대비하지 못했으며, 미국의 전력 수요는 지난 10년간 거의 제로 성장을 기록했다. 균열은 미국 전역에서 이미 드러나고 있다: 전력망 접속 대기열이 사상 최장 기록을 경신했고, 대형 변압기의 납기 기간은 평균 24~36개월에 달했다. 2025년에는 전력용 변압기에 30%의 공급 부족이 예상된다. 모건 스탠리는 미국만 해도 2028년까지 45GW의 전력 부족이 발생할 것이라고 추정했는데, 이는 약 3300만 미국 가구의 전력 수요에 해당한다. 나는 이 부족 규모가 훨씬 더 클 것이라 생각한다.
문제는 명확하다: 인간은 AI, 로봇공학, 자율주행 등 분야의 혁신적 도약을 따라잡기 위해 에너지 규모를 급진적으로 확대해야 한다.
다가올 에너지 부족: 일차적·이차적 영향
다가올 에너지 부족의 결과는 역사적 의미를 갖는다: 에너지 수요가 급증하면서 공급이 부족해짐에 따라 준사적(準私的) 에너지 시장이 등장할 가능성이 있다.
초대규모 클라우드 서비스 제공업체(Hyperscaler)는 이미 자체 ‘후방 설치(BTM)’ 발전 설비를 건설하기 시작했으며, 핵동력 데이터센터로의 확장을 계획하고 있다. 이 추세는 이제 막 시작된 단계다. 나는 이 흐름이 점점 더 두드러질 것이라 믿는다.
아래에서는 지능 폭발과 그로 인한 지속적인 전력 공급 긴장이 초래할 7가지 논점을 제시한다.
논점 1: 전력망 분열—연산 능력이 에너지 쪽으로 이동할 것이며, 반대로는 아니다
추론 수요가 집중된 지역 중, 에너지가 풍부하고 규제가 유연한 관할권은 전력 시스템의 분절화에 따라 비례하지 않는 가치를 확보하게 될 것이다.
에너지 수요가 공급을 초과하기 시작하면 전력은 정치적으로 민감해진다. 가정은 투표권을 갖고 있으나, 데이터센터는 그렇지 않다. 에너지 부족 상황에서 전력망은 중립을 유지하기보다는, 가격 책정, 접속 제한 또는 암묵적 상한선을 통해 주거용 전력 수요를 산업용 수요보다 우선시할 가능성이 크다.
연산 능력은 지연 시간, 가용성, 신뢰성에 극도로 민감하다는 점을 고려할 때, 주거용 전력을 우선 보장하는 관할권 내에서 운영하는 것은 사실상 불가능하다. 전력망 접속이 불안정하거나 정치화됨에 따라, 연산 워크로드는 BTM 발전 방식으로 이동하게 될 것이다. 여기서 전력은 직접 보장되고, 직접 제어되며, 직접 가격 책정될 수 있다.
이는 구조적 전환을 촉발한다: 연산 능력은 에너지가 풍부하고 규제가 유연한 경제권으로 이동한다. 승자는 토지, 연결성, 에너지 발전, 광섬유를 하나의 배치 가능하고 복제 가능한 시스템으로 통합할 수 있는 주체이며, 이러한 시스템이 위치한 관할권도 이익을 얻게 된다.
논점 2: 에너지가 경쟁적 진입 장벽이 되며, BTM 자가발전이 연산 제공업체를 구분짓는 핵심 역량이 된다
나는 이것이 에너지 부족 심화의 가장 중요한 일차적 영향이라고 본다. 에너지 수요가 공급을 초과하는 세상에서, 저렴하고 신뢰할 수 있는 전력을 확보하는 것은 시간이 지남에 따라 복리로 증가하는 구조적 비용 우위다. 게다가, 현재의 에너지 흐름 추세를 고려할 때, 데이터센터가 전력망 전력을 우선 차지하는 것은 정치적으로 지속 가능하지 않다. 국가 전력망은 점점 더 긴장되고 있으며, 이는 연산 제공업체가 자체 전력을 확보하도록 강제할 것이다. 초대규모 클라우드 서비스 제공업체는 이미 이 추세를 시작했다. BTM 발전 인프라를 갖추지 못한 업체는 즉각 도태될 것이다.
본질적으로, 전력을 소유하는 기업은 승리하고, 전력을 임대하는 기업은 패배한다. BTM 발전이 없는 연산 제공업체는 전력 신뢰성 문제(치명적), 비용 상승, 전력 사용 제한에 직면하게 된다. 자체 발전 시설이 없는 순수 위탁형 REIT(예: Equinix, Digital Realty)는 수직 통합 운영업체에 비해 가치가 하락한다. 에너지 발전과 연산 위탁을 결합하는 기업은 가장 깊은 진입 장벽을 구축하고 있다(Crusoe, Iren 및 일부 초대규모 클라우드 서비스 제공업체). 이를 멀티-롱/숏 트레이딩으로 표현할 수도 있으나, 나는 수직 통합 승자에 초점을 맞추고자 한다.
논점 3: BTM 표준화가 혁신을 촉진한다—기존 변압기에서 고체 상태 변압기(SST)로, 전통 스위치기어에서 디지털 스위치기어로
기존 변압기는 교류 전력망 전압을 승압하거나 강압한다. 규모와 소재로 인해 납기 기간은 이미 24~36개월에 달했고, 공급 부족률은 30%에 이른다. 또한 이는 19세기 80년대 기술로, 제한된 소재를 수작업으로 제조한다. 핵심은, BTM에서 매 1MW 발전 전력은 반드시 변환·조정·연산 단말로 공급되어야 하며, 변압기는 어떤 방식으로도 우회할 수 없다는 점이다.
고체 상태 변압기(SST)는 고주파 전력 전자 소자를 사용해 모든 것을 대체한다. SST는 더 작고, 더 빠르며, 완전히 제어 가능하며, 하나의 장치 내에서 교류-직류 변환, 전압 조정, 양방향 전류 처리를 수행한다. 제조도 더 단순하여 거대한 구리 권선과 오일 충진 탱크가 아닌 실리콘 파워 반도체(탄화규소/SiC, 질화갈륨/GaN 등)에 의존한다. BTM이 표준 아키텍처가 되면서, 에너지와 연산 능력 사이의 장치가 병목이 되었고, 그 장치가 바로 고체 상태 변압기(SST)다.
스위치기어 역시 80주(약 18개월)의 지연을 겪고 있으며, 이는 발전과 부하 사이의 제어 계층으로, 전력 경로 설정, 고장 격리, 시스템 보호 기능을 담당한다. 변압기와 마찬가지로, 스위치기어도 노동 집약적 제품이며, 제한된 소재로 제조되며, 19세기 80년대 이래 거의 변화하지 않았다.
디지털 스위치기어는 고체 상태 전력 전자 소자로 모든 것을 대체한다. 더 빠르고, 프로그래밍 가능하며, 완전히 제어 가능하여 실시간 고장 감지, 원격 격리, 동적 부하 경로 설정이 가능하다. 또 하나 중요한 점은, 디지털 스위치기어가 산업 장비가 아니라 전자제품처럼 확장된다는 것이다.
구리에 대한 부가 설명: 나는 구리에 대해 건설적인 시각을 가지고 있다. 구리는 전자의 고속도로이며, 점점 더 전기화되는 세상에서 가장 필수적인 1차 상품이다. 그러나 이 거래의 실행 방식은 미묘하다—전통적인 광산 기업은 수익률이 낮고, 시간이 지남에 따라 압박받을 수 있다. 그러나 구리가 대체 불가능하고 시간이 제한된 완제품 단계에서는 중대한 병목 현상과 미래 가치 축적 공간이 존재한다. 프리스미안(Prysmian) 및 넥산스(Nexans) 같은 케이블 제조사는 원자재가 아닌 완제품 제약을 판매하고 있으며, 변압기 납기 기간이 급격히 연장됨에 따라 이 시장은 더 이상 상품 시장이 아니다.
논점 4: AI의 탄소 비용이 정치적으로 점점 더 지속 불가능해지고, 태양광과 배터리 중심의 해결책을 강제할 것이다
AI 구축에는 아직 가격이 책정되지 않은 탄소 문제가 존재하며, 이는 정치적 제약 요인이다. 데이터센터는 전기 요금을 끌어올리고, 대규모로 물 자원을 소비하며, 지역 배출량을 증가시킨다. 이미 이는 현실로 나타났다: 180억 달러 규모의 데이터센터 프로젝트가 완전히 취소되었고, 460억 달러 규모의 프로젝트는 연기되었다.
현재 데이터센터 전력의 약 56%가 화석 연료에서 나온다. 천연가스는 배치 속도 문제를 해결하지만, 정치적으로는 취약하다. 수요가 확대됨에 따라 화석 연료 확장에 대한 저항이 커지며, 단기적으로는 천연가스·핵에너지·재생에너지의 혼합 시스템이 강제될 것이다.
천연가스는 데이터센터의 폭발적 성장에서 단기적 다리 역할을 하지만, 장기적으로 보면 에너지 풍부성은 연료 채굴이 아니라 에너지 포착을 통해 달성된다. 태양이 지구에 공급하는 에너지는 인류의 소비량보다 수 차례 더 크다. 제약은 가용성에 있지 않고, 전환·저장·배치에 있다.
태양광은 연산 능력에 대한 에너지 수요를 즉각 해결하는 솔루션이 아니라 궁극적인 솔루션이다.
현재 상용 태양광은 입사 에너지의 약 22%를 포착한다. 변환 효율이 조금이라도 향상되면 MW당 비용이 감소하고, BTM 시스템 내에서 태양광이 조절 가능한 발전과 동등한 가격 수준에 도달하는 데 더 가까워진다.
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 이 아키텍처의 핵심 구성 요소가 된다. 단순한 간헐성 완화뿐 아니라 수익 창출 계층으로서도 기능한다. 저장소 arbitrage(차익거래) 및 부하 균형 조정은 역사적으로 비용 중심이었던 항목을 BTM 운영업체의 수익 기여자로 전환시킨다.
이 논점에서 승자는 포착·저장·배치를 아우르는 수직 통합 기업이다: BTM 계약을 보유한 전문 태양광 개발업체, 송전망 수준 및 현장 수준 제품을 보유한 배터리 제조사, 그리고 자체 발전과 연산 위탁을 결합한 소수의 운영업체들이다.
태양광은 조달과 제조의 게임이며, 배터리는 제약과 수익화 계층이다. 포착을 통한 수익은 통합을 통해 실현되며, 첨단 기술은 여전히 옵션일 뿐 기본 시나리오는 아니다. 이 분야에서 테슬라는 계속해서 큰 승자가 될 수 있으나, 나는 비주류 종목에 초점을 맞추고자 한다.
논점 5: 냉각이 1차적 제약이 되고, 선두 기술 적용 분야에서는 양상 직접 액체 냉각(D2C)이 필수가 된다
또 다른 결과는 양상 직접 액체 냉각(D2C) 기술의 부상이다. 솔직히 말해, 이 논점에는 나의 개인적 판단도 포함되어 있다: 칩의 전력 밀도는 포물선 형태로 증가하고 있으며, 이는 점점 더 난해해지는 열역학적 문제다. 전통적인 공기 냉각은 여러 이유로 근본적으로 지속 불가능하다. 첫째, 고밀도 칩에서는 작동하지 않으며, 둘째, 물과 전력 소비로 인한 환경 문제도 있다.
첫째, D2C 냉각은 열관리 제약 없이 밀도와 성능을 향상시킬 수 있다—이것이 확장의 핵심 문제다. 현재 시장 현실은 단상 냉각이 주도하고 있는데, 이는 더 간단하기 때문이다: 냉각수를 냉각판을 통해 순환시켜 칩을 식히는 방식이다. 그러나 이 방식에는 알려진 한계가 있다. 칩의 전력 밀도가 1500W를 넘어서면 양상 냉각으로의 전환이 불가피해진다. 양상 냉각은 유전성 액체를 칩 주변으로 펌핑해 저온에서 끓도록 설계한다—액체에서 기체로의 상변화가 냉각 효율을 획기적으로 높인다.
양상 냉각은 에너지 소비를 20% 감소시키고, 물 사용량을 48% 줄일 수 있다. 이 성능 향상은 더 밀집된 칩 다이 패키징을 허용하고, 성능을 향상시키며, 궁극적으로 고성능 냉각에 대한 수요를 더욱 증가시킨다.
선두 양상 DTC 기업인 주타코어(Zutacore)는 물 대신 유전성 액체를 사용하는 양상 D2C 냉각 기술을 통해 에너지 소비를 82% 감소시키고 물 사용을 완전히 제거했다는 결과를 시연했다. 이 결과는 버티브(Vertiv) 및 인텔(Intel)의 연구로 검증되었다. 주타코어는 이 분야에서 주목할 만한 비상장 기업이며, 더 나아가 유전성 액체 공급업체에 대한 심층 조사도 가치가 있을 수 있다.
논점 6: 핵에너지는 에너지 풍부성과 안정적 전력 공급으로 가는 다리가 될 수 있으나, 장기적 에너지 확장의 해답은 아니다
이 글을 작성할 당시 나는 초기에 핵에너지가 에너지 부족의 단기 공백을 메우는 좋은 방법이라고 생각했다. 현실은 소형 모듈형 반응기(SMR)의 배치 비용이 유사한 천연가스 시스템보다 kW당 1만~1.5만 달러, 즉 5~10배 더 비싸며, 실제로는 대규모 배치 및 확장이 불가능하다는 것이다.
핵에너지는 속도나 비용이 아니라 신뢰성 문제를 해결한다—특히 BTM 설치 시에 그렇다. 이는 신뢰성이 타협할 수 없는 상황에서 안정적이고 조절 가능한 베이스로드 전력을 제공할 수 있게 한다. 따라서 핵에너지는 에너지 부족 상황에서 다리로서의 역할은 할 수 있으나, 핵심 공급원은 아니다.
핵에너지는 연료 주기와 건설 시간에 제약을 받는다. 오늘날 선진 반응기들은 고농축 저농축 우라늄(HALEU)을 필요로 하는데, 이 연료는 현재 상업 규모의 공급이 거의 없다. 반응기가 완공되더라도 이를 위한 연료 공급이 가능할지 여부가 핵에너지 확장 속도의 핵심 제약 요인이 된다.
따라서 핵에너지는 에너지 확장의 한계적 해결책이 되기 어렵다—출시가 느리고, 자본 집약적이며, 인프라와 연료에 의해 제약을 받는다. 비교해 보면, 가장 빠르게 확장되는 시스템—단기적으로는 천연가스, 장기적으로는 태양광과 에너지 저장—이 격차를 줄이는 선택지다.
투자 가능한 병목 현상은 반응기가 아니라 연료다. SMR 수요가 증가함에 따라 고농축 우라늄 농축이 핵심 단계가 될 것이다—어떤 반응기 설계가 최종적으로 승리하든 관계없이, 이곳에서 가치가 축적될 것이다.
논점 7: 새로운 에너지 인프라 그룹의 출현—전자를 계산 능력으로 전환하는 수직 통합 기업
AI 인프라의 병목 현상은 단지 에너지에만 국한되지 않는다. 대규모로 에너지를 사용 가능한 계산 능력으로 전환하는 능력에도 있다.
19세기 70년대, 전기와 유사하게 석유 자체는 희귀하지 않았으나, 정제 및 유통이 문제였다. 록펠러(Rockefeller)는 원유 채굴·정제·가정으로의 유통을 수직 통합함으로써, 역사상 최대 규모 기업 중 하나인 스탠다드 오일(Standard Oil)을 설립했다.
지능 혁명도 동일한 패턴을 따른다. 전기는 원유다. 전력은 풍부하지만, 전력을 신뢰성 있게 계산 능력으로 전환하는 데는 전력 전송, 냉각, 연결, 허가 등 다양한 제약이 있다. 전자의 ‘정제’야말로 가치의 핵심이다. 소유권을 한 단계 더 확보할수록 신뢰성은 높아지고, 비용은 낮아지며, 수익 창출 공간이 확대되어 수직 통합은 스스로 강화된다.
초대규모 기업은 이 시스템의 유통 계층이자 계산 소비의 최종 단말이다. 그러나 구조적 기회는 유통업체가 구매를 강제당하는 인프라에 있다. 이는 발전·변환·냉각·위탁을 하나로 통합한 운영업체라는 새로운 에너지 인프라 그룹을 창출한다.
가장 명확한 사례는 프라이빗 마켓의 수직 통합 운영업체인 크루소(Crusoe)와 랜시엄(Lancium), 그리고 퍼블릭 마켓의 토착 계산 플랫폼인 아이렌(Iren)과 코어 사이언티픽(Core Scientific)이다. 이들은 이미 가장 복제하기 어려운 기반—에너지—를 확보했다.
전자를 랙으로 흐르게 하는 기업이 AI 경제에서 가장 깊은 진입 장벽을 구축하고 있다. 소프트웨어는 물리적 인프라를 잡아먹지 못한다.
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@josephayoub
