빌 게이츠는 지난 2008년 테라파워를 설립하고, 이미 10억 달러를 투자했습니다. 향후 수십억 달러를 더 투자할 계획이라고 밝혔고요. 테라파워의 이 프로젝트는 미국 에너지부(DOE)의 지원을 받아서 추진된다고 합니다. 최대 40억달러, 한화로 5조 원이 넘는 비용이 들 것으로 예상되는데, 그 중 절반을 미국 에너지부(DOE)에서 지원한다고 하죠. 테라파워가 밝힌 목표는 2030년까지 345메가와트급 SMR 실증단지를 만들어서 전력을 공급하는 겁니다. 약 25만가구, 최대 40만 가구가 동시에 사용할 수 있는 전력 발전 단지를 만들어서 기존 화력발전소를 대체하겠다는 계획인데요. (...) OpenAI의 CEO, 샘 알트만 역시 SMR을 개발하고 있는 에너지 스타트업 Oklo에 투자하고 있죠. Oklo는 2027년까지 SMR를 개발하겠다는 목표를 밝혔습니다. 빌 게이츠와 샘 알트만이 SMR에 투자한 이유는 무엇일까요? (... 본문에서 이어집니다)

*이 칼럼은 2024년 10월에 작성되었습니다. 시간이 지나면서, 구체적인 내용이 달라졌을 수 있다는 점을 참고해주세요. 현 시점에서, 어떤 부분이 비슷하고 어떤 부분이 바뀌었는지 살펴봐주세요.

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00:00 빌 게이츠와 샘 알트만이 SMR에 투자한 이유
02:48 AI로 인해 급증하는 전력 수요
06:49 원자력 발전과 원전이 가진 한계
15:33 SMR의 이점과 한계
17:26 SMR의 특징과 이점
23:07 SMR의 허들
25:42 Outro

빌 게이츠와 샘 알트만이 SMR에 투자한 이유

지난 6월, 미국 와이오밍 주에서 소형모듈원자로(SMR)의 건설 착공식이 있었습니다. 마이크로소프트의 창업자 빌 게이츠가 설립한 에너지 스타트업 테라파워가 그 주인공이었고요. 빌 게이츠는 지난 2008년 테라파워를 설립하고, 이미 10억 달러를 투자했습니다. 향후 수십억 달러를 더 투자할 계획이라고 밝혔고요. 테라파워의 이 프로젝트는 미국 에너지부(DOE)의 지원을 받아서 추진된다고 합니다. 최대 40억달러, 한화로 5조 원이 넘는 비용이 들 것으로 예상되는데, 그 중 절반을 미국 에너지부(DOE)에서 지원한다고 하죠. 

TerraPower의 SMR 착공식과 빌 게이츠

출처: (좌) TerraPower; (우) Bill Gates

테라파워가 밝힌 목표는 2030년까지 345메가와트급 SMR 실증단지를 만들어서 전력을 공급하는 겁니다. 약 25만가구, 최대 40만 가구가 동시에 사용할 수 있는 전력 발전 단지를 만들어서 기존 화력발전소를 대체하겠다는 계획인데요. 이건 청정에너지, 그리고 AI와도 관련이 있습니다. 

테라파워를 설립하면서 빌 게이츠가 밝힌 목표는 ‘청정에너지' 발전이었죠. 또 지난 6월 NPR과의 인터뷰 중엔, AI와 원자력의 관계에 대한 질문에 대해서 "데이터센터로 인해 전기 부하가 10% 정도 추가될  같다는 점에서 직접적인 연관성이 있다”고 설명한 적이 있고요. 그동안 미국은 추가적인 전기의 필요성이 적었지만, “전기차와 버스부터 전기 히트 펌프, 주택 난방을 바롯해 다양한 전기 기반의 기기들이 증가하면서 전기 수요가 크게 증가”할 거고. 그러면서 여기에 “AI 데이터센터로 인한 전력 수요가 폭발할 수 있기 때문에 이걸 충족할 수 있도록 많은 빅테크 기업들이 더 많은 전력 공급 방안을 모색"하고 있다는 점을 언급했습니다. 

인터뷰 원문

Q. What is the connection between AI and nuclear power?

Bill Gates: Well, I suppose people want innovation to give us even cheaper electricity while making it clean. People who are optimistic about innovation in software and AI bring that optimism to the other things they do. There is a more direct connection, though, which is that the additional data centers that we'll be building look like they'll be as much as a 10% additional load for electricity. The U.S. hasn't needed much new electricity — but with the rise in a variety of things from electric cars and buses to electric heat pumps to heating homes, demand for electricity is going to go up a lot. And now these data centers are adding to that. So the big tech companies are out looking at how they can help facilitate more power, so that these data centers can serve the exploding AI demand.

출처: NPR

그리고 이렇게 생각하고 움직이는 건 빌 게이츠만이 아닙니다. OpenAI의 CEO, 샘 알트만 역시 SMR을 개발하고 있는 에너지 스타트업 Oklo에 투자하고 있죠. Oklo는 2027년까지 SMR를 개발하겠다는 목표를 밝혔습니다. 로이터 통신에 따르면, Oklo는 서부 아이다호에 소형 원자로 건설을 하겠다고 미국 에너지부와 관련 계획을 제출했었는데요, 조만간 부지 적합성 조사를 할 예정이라고 합니다. Oklo의 구인공고 내용을 보면, 이 사업 역시 AI와 연관된다는 걸 추측해볼 수 있습니다. SMR이 대규모의 전력을 낮은 가격에 안정적으로 공급하는 걸 목표로 하고 있다는 점이죠. 그리고 대규모의 전력을 필요로 하는 핵심 고객군 중 하나는 AI 데이터센터와 클라우드 컴퓨팅입니다. 

Oklo의 구인공고

출처: greenhouse

AI로 인해 급증하는 전력 수요

사실, ChatGPT가 세상에 나오기 이전에도, 빅테크 기업의 성장과 함께, 전력 사용량은 꾸준히 증가해 왔습니다. 2017년에서 2021년 사이, 구글, 마이크로소프트, 메타, 아마존이 사용한 전력량은 2배 이상으로 증가했죠. 하지만 증가하는 스피드가 더 빨라지다보니, 최근 에너지의 안정적인 생산과 공급이 주목받고 있습니다. 이와 관련해서 일론 머스크는, Bosch Connected World Conference에서 ‘AI 열풍으로 2025년, 전기가 부족해질 수 있다’고 경고한 적이 있었죠. 국제에너지기구 IEA는 2026년까지, 데이터 센터, AI, 암호화폐 부문의 전기 소비량이 두 배로 늘어날 거라는 예측을 내놓았고요. 골드만 삭스 리포트에 나오는 데이터 센터의 전력 수요 트렌드는 이런 흐름을 잘 보여줍니다. AI 열풍이 생겨나기 전과 후, 데이터센터가 필요로 하는 전력량의 기울기가 달라지죠. 이처럼, AI 열풍은 안 그래도 증가 추세였던 글로벌 전력 수요를, 더 빠르게 증가시키는 겁니다. 

2024 Bosch Conference에서 전력 공급 문제를 지적했던 Elon Musk

출처: New Atlas

글로벌 데이터센터의 전력수요 추정치

IEA 추정치에 따르면, 글로벌 데이터센터 전기 소비량은 최근 몇 년 사이 20-40% 가량 증가했습니다. 특히, 데이터센터가 전기 소비량 증가의 큰 부분을 주도하고 있고요. 2022년 기준, 구글과 마이크로소프트가 밝힌 전기 소비량은 24 TWh. 빅테크 기업이긴 하지만, 기업 하나가 요르단이나 아이스란드 같은 나라 하나의 전기 소비량 보다 더 많은 전기를 소비한다는 거죠. 하이퍼스케일러를 포함해 이런 데이터센터가 전세계적으로 수 천개에 이르고요. 전세계 데이터센터가 소모하는 전력량은 연간 400 TWh 가량, 전체의 1~1.3% 수준으로 추정됩니다. 미국 EIA의 자료에 따르면, 2022년에 프랑스의 쓴 전기가 426 TWh거든요. 그러니까 전세계 데이터센터가 잘 사는 나라 하나가 쓰는 정도의 엄청난 전기를 쓴다는 겁니다. 참고로, 2022년 기준 전기소비량은, 일본이 939 TWh, 한국이 587 TWh, 영국이 287 TWh였습니다. 

빅테크 기업과 비슷한 규모의 전기를 쓰는 국가의 전기소비량

출처: Voronoi; company data; US EIA

글로벌 상위 50개 데이터센터의 지역별 전기 소비량 (2023년 기준)

출처: Cushman & Wakefield, DataCenterHawk

‘AI 데이터센터’가 기존의 전통적인 데이터센터보다 더 많은 전력을 소모하는 건, 잘 아시는 것처럼, 데이터 처리량이 크기 때문이죠. ChatGPT의 전력 소모량이 구글 검색보다 10배 가량 크다는 건 이제 많이 들어보셨을 겁니다. 일단, 트레이닝에 필요한 전력량이 상당하죠. 2022년, GPT-3를 훈련하는데 들었다는 전력량 추정치는 최소 1,300MWh, 미국의 평균적인 가정을 기준으로 할 때, 약 130 가구에 1년 동안 전력을 공급할 수 있는 엄청난 양입니다. 그런데 GPT-4를 훈련시킬 때 사용된 전력량은 이보다 더 하죠. 62,320MWh로 추청된다고 합니다. 

하지만 이게 다가 아니죠. 구글의 2022년 연구를 보면, 머신러닝이 쓰는 에너지의 40%가 학습에, 60%가 추론에 들어간다고 하거든요. 그러니까 지금 보신 건, 40%에 해당하는 전력인 겁니다. 추론에 들어가는 전력 사용량까지 고려하면, 엄청난 양의 전기를 더 필요로 하는 거죠. 그러니까 만약 다른 조건이 같다고 보면, AI의 성능이 더 좋아질수록, 필요한 전력량 역시 훨씬 더 커질 수 있는 겁니다. 참고로, 데이터센터에 이렇게 많은 전력이 필요한 이유에 대한 여러 연구가 있는데요. 정확한 비율은 연구마다 차이가 있지만, 대체로, CPU 같은 장치가 전력의 절반 가량을, 냉각이 40% 정도의 전력을 소모한다고 봅니다. (이 연구에서는 각각 45%, 38%였습니다)

‘AI가 투자 대비 유의미한 정도로 생산성을 증가시킬 수 있는가' 여기에 대한 회의가 존재하긴 하지만, 여전히 많은 기업들이 AI에 투자하고 있잖아요. 그러다보니 이 추세대로라면, 데이터센터에 들어가는 전기소비량이 2026년까지 현재의 두 배 이상으로 증가할 수 있다는 예측이 나오고 있습니다.

데이터센터의 엄청난 전력 소비 누가 범인(?)인가

출처: Ahmed, K. M. U., Bollen, M. H., & Alvarez, M. (2021). A review of data centers energy consumption and reliability modeling. IEEE

대규모 전력 공급을 위한 대안으로 주목받는 원자력 발전, 원전이 가진 한계

이렇게 전력 수요가 급증하는 가운데 최근, 주목 받은 발전 방식은 원자력 발전입니다. ‘에너지 자립’이나 ‘탄소배출'의 측면에서, 원자력 에너지의 상대적인 이점이 긍정적으로 평가 받았기 때문이죠. 특히 여러 빅테크 기업이 있는 미국의 케이스가 흥미롭습니다. 미국에서는 2024년 7월 9일, 원자력 발전 관련 허가 절차를 단축하는 내용을 담은 ‘원전 배치 가속화 법안(ADVANCE Act)’이 초당적인 지지를 얻어서 통과됐는데요. 이 법안은 신규 원자력 발전소 허가를 위한 절차를 가속화하고, 허가를 얻기 위해 원전 기업들이 내야 하는 수수료를 줄이는 것을 골자로 합니다. 원전 확대에 힘을 싣는 초당적 법률이 제정된 거죠. 

사실, 그동안 미국에서 원전은 다른 에너지 발전 방식에 비해 상대적으로 매력적이지 않은 에너지발전 방식으로 여겨진 경향이 있었습니다. 1979년 미국 펜실베니아에서 있었던 '쓰리마일 섬(TMI, Three Mile Island) 원전 사고'로 인해서 부정적인 인식이 있기 때문입니다. TMI 사고는 냉각수에 문제가 생기면서, 방사성 가스가 유출된 사고였는데요. 이후에 체르노빌이나 후쿠시마에서 일어난 사고에 비해서 비교적 심각성이 낮은 사고이긴 했지만, 미국인의 ...