우주 기반 AI: 클라우드 규모를 위한 차세대 프론티어

AI 인프라가 궤도로 이동하는 이유

AI가 급성장함에 따라 여러 공급 제약이 나타났습니다. 첫 번째는 GPU였으며, 특수 하드웨어가 틈새 게임 용도에서 AI 데이터 센터의 대량 채택으로 전환되었습니다. 그 결과, 업계 선두주자인 Nvidia (NVDA )는 세계 최대 기업으로 성장했습니다.

하지만 또 다른 제한 요소가 주요 문제가 되고 있습니다: 에너지 공급.

이는 AI 데이터 센터가 이제는 연산 능력보다 전력 소비량으로 측정되기 때문입니다. 그래서 AI 기업들이 원자력 발전소 재가동에 급히 나서고, 첫 번째 SMR 프로토타입을 확보하며, 혹은 주 규제 당국이 새로운 가스 기반 발전소를 신속 승인 절차에 올리고 있기 때문입니다.

데이터 센터를 위한 에너지 확보 경쟁이 격화됨에 따라, 또 다른 옵션인 우주 기반 AI에 주목하고 있습니다. 이는 “클라우드 컴퓨팅”에 전혀 새로운 물리적 의미를 부여합니다.

궤도 위 위성으로부터 무한한 에너지 공급이 가능하다는 점은 우리가 이미 “무한 청정 에너지를 위한 우주 기반 에너지 솔루션”에서 자세히 분석한 바 있습니다.

하지만 이 개념은 태양 에너지를 전력으로 변환하고, 그 전기를 마이크로파로 바꿔 지구로 송신한 뒤 다시 전력으로 변환해야 하는 필요성 때문에 항상 어느 정도 제한됩니다.

이는 전력 위성의 복잡성을 증가시키고, 더 많은 지상 기반 인프라가 필요하며, 각 에너지 형태 변환마다 손실이 발생해 전체 효율성을 크게 낮춥니다. 이러한 방식은 매우 저렴한 궤도 발사가 가능할 때만 실현될 수 있습니다.

반대로 전력을 궤도에서 직접 사용한다면 훨씬 효율적이며, 특히 최종 “제품”을 지구로 쉽게 반환할 수 있다면 경제적으로 더 빨리 실현 가능해집니다.

이론적으로 우주에 있는 데이터 센터는 이상적인 선택이 될 수 있습니다: 많은 전력이 필요하지만, 계산 결과를 지구로 전송하는 것은 간단하고 새로운 인프라가 필요 없으며 에너지 손실도 발생하지 않습니다.

이 아이디어는 단순히 이론에 그치지 않습니다. 예를 들어 Alphabet/Google이 최근 “Project Suncatcher”라는 궤도 AI 계산 시스템 프로토타입을 발표했으며, 우리는 이를 “Google의 Project Suncatcher와 궤도 AI의 부상”에서 다루었습니다.

그렇다면 이것이 실현 가능할까요, 그리고 왜 AI 인프라 구축의 다음 단계가 될 수 있을까요?

두 트렌드의 충돌

지상 전력 제약 해결

인류 문명을 유지하기 위해 그 어느 때보다 많은 에너지가 필요하며, 대형 언어 모델(LLM)의 상용화는 새로운 전력 설비에 대한 수요를 더욱 증가시켰습니다. 현재까지 신규 설치된 전력 생산의 대부분은 태양 에너지입니다.

출처: ARK Invest

하지만 이는 지상 전력망에 문제를 일으킵니다. 태양 에너지는 햇빛이 비칠 때만 전력을 생산하므로 흐린 날, 겨울, 혹은 저녁에는 생산량이 감소합니다. 반면 AI 데이터 센터와 같은 고전력 수요원은 연속적인 에너지 공급이 필요하며, 피크 소비는 주로 저녁과 겨울에 발생합니다.

이론적으로는 유틸리티 규모의 배터리 파크와 같은 저비용 에너지 저장으로 해결할 수 있습니다. 그러나 실제로는 태양 에너지의 친환경적이고 저렴한 장점이 크게 사라집니다.

출처: ARK Invest

ARK Invest는 전력 생산에 대한 자본 지출이 2030년까지 약 2배, 약 10조 달러 규모로 확대되어야 전 세계 전력 수요를 충족할 수 있다고 추정합니다. 이 중 고정식 에너지 저장소의 배치는 19배 확대되어야 합니다.

출처: ARK Invest

이는 전력망에 대한 대규모 투자를 추가로 필요로 하며, 비용을 더욱 증가시킵니다. 배터리와 전력망 비용을 건너뛰는 대안이라면 자체적인 인프라 비용(예: 우주 기반 AI 데이터 센터의 궤도 발사)에도 불구하고 경쟁력을 가질 수 있습니다.

스타쉽 디플레이션 사이클

SpaceX가 지금까지 가장 성공적인 우주 중심 기업이라는 것은 비밀이 아닙니다. 재사용 가능한 발사체를 구현함으로써, 회사는 유용한 페이로드를 지구 궤도로 올리는 비용을 크게 낮췄습니다. 비용은 약 95% 감소했으며, 2008년 이후 17년 동안 약 $15,600/kg에서 $1,000/kg 이하로 떨어졌습니다.

새로운 초중량 발사체인 스타쉽은 이 추세를 이어가며 궁극적으로 발사 비용을 $100/kg 수준으로 낮출 것으로 예상됩니다.

출처: ARK Invest

아직 완전히 이해되지 않은 점은 이 비용 절감이 위성이나 우주 임무를 저렴하게 만들 뿐만 아니라, 우주에서 할 수 있는 일의 범위를 근본적으로 바꾼다는 것입니다.

1kg의 물질을 우주에 올리는 비용이 $100에 불과해지면, 유용하거나 가벼운 어떤 것이든 궤도에 올리는 것이 경제적으로 타당해집니다. 이는 얇은 필름 태양전지와 같이 유리나 강철 프레임으로 보호할 필요가 없는 경우에 매우 가볍게 만들 수 있습니다.

이는 킬로당 높은 수익성을 가진 재료, 예를 들어 컴퓨터 칩에도 적용됩니다.

예를 들어, NVIDIA의 전체 GB300 NVL72 랙/캐비닛은 약 $4백만에 달하지만 무게는 약 1.8톤(4,000파운드) 정도입니다. 이를 $100/kg 비용으로 궤도에 올리면 비용은 $180,000에 불과해, 하드웨어 비용에 비해 거의 무시할 수준입니다.

물론, 방호, 냉각, 전력 생성 등 지원 장비를 포함하면 총 비용은 더 높아지지만, AI 컴퓨팅 시스템을 궤도에 올리는 비용이 곧 크게 증가하지 않을 것임을 의미합니다. 전환점은 발사 비용이 $500/kg 수준에 이를 때일 가능성이 높습니다.

출처: ARK Invest

추가적인 장점으로, 궤도 AI의 부상은 재사용 로켓의 경제성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 스타링크 위성군을 완성하려면 2025년까지 SpaceX가 누적 운반량의 11배가 필요하지만, 100GW의 AI 컴퓨팅 수요는 궤도 운반량을 추가로 60배 증가시킬 것입니다. 이 규모는 발사 비용을 더욱 낮추는 효과를 가져옵니다.

출처: ARK Invest

왜 궤도 AI가 구조적 장점을 갖는가

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태양 에너지에 최적

우주에서는 태양 에너지가 풍부합니다—대기 손실이 없으므로 동일한 정격 용량에서 최대 4배의 출력이 가능합니다. 적절한 궤도에서는 24시간 연속으로 매우 안정적으로 빛납니다.

이는 지상 태양광이 겪는 제한을 없애줍니다. 이론적으로 이는 최종 형태의 태양 에너지 생산이 될 수 있습니다. 그러나 전력을 지구로 되돌려 보내는 어려움 때문에 초저가 발사 비용이나 궤도 제조가 필요합니다.

대안으로, Reflect Orbital이 제안한 간단한 궤도 거울을 이용해 지상 태양광 농장에 빛을 비추는 방식은 빛-마이크로파 변환 손실을 피할 수 있습니다.

반대로 전력을 궤도에서 직접 사용한다면 이러한 단계가 필요 없으며, 계산이 완료된 후 결과 데이터를 표준 통신 방법으로 지구에 전송하면 됩니다. 위성 대역폭은 빠르게 개선되고 있습니다.

자연 냉각

우주 기반 AI 데이터 센터의 또 다른 독특한 장점은 냉각입니다. 태양 복사에 노출되지 않을 때, 우주는 매우 차가워서 지구 그림자나 자체 태양전지판 뒤에 있는 우주선은 -148°F (-100°C) 정도의 온도를 유지합니다.

지상 데이터 센터 에너지 소비의 상당 부분은 냉각에 사용됩니다. 북극이나 심지어 성층권에 위치시키는 방안이 제안되었으며, 우주는 자연적인 이점을 제공합니다. 이는 대규모 수동 냉각 시스템을 통해 열을 복사시켜 방출해야 하지만 기술적으로 가능하다고 판단됩니다.

편재하는 위성 인텔리전스

SpaceX와 그들의 광대역 위성 네트워크는 궤도 환경을 완전히 바꾸어 놓았으며, 스타링크 위성은 전체 위성의 약 절반을 차지합니다.

출처: ARK Invest

이로 인해 위성 대역폭 비용이 급격히 감소했으며, 2020년에서 2024년 사이에 거의 100배 하락했으며, 스타쉽 비행으로 추가적인 비용 절감이 기대됩니다.

출처: ARK Invest

우주 통신이 매우 보편화되고 저렴해짐에 따라, 궤도 데이터 센터는 전용 용량을 구축하지 않고도 기존 네트워크를 이용해 지구와 통신할 수 있습니다. 또한, 밀집된 위성 네트워크는 연료 보급이나 “예인” 같은 추가 유지보수 서비스를 제공하여 자산 수명을 연장할 수 있습니다.

우주와 지상 인프라 분리

궤도 AI 데이터 센터는 일반 전력망에 연결되지 않기 때문에 지구의 전력 가격에 영향을 주지 않습니다. 오히려 태양 기술에 대한 추가 수요가 전 세계적으로 태양 에너지를 더 저렴하게 만들 수 있습니다.

게다가 이러한 센터는 수년이 걸리는 지상 전력망 업그레이드를 기다릴 필요가 없으며, 토지와 귀중한 물 자원을 사용하지 않아 전체 경제성을 개선합니다.

궤도 AI에 투자하기

Broadcom

GPU 제조업체와 AI 모델 개발자 외에도, 데이터 센터용 연결성 및 특수 IT 장비를 생산하는 기업들은 AI 붐의 주요 수혜자입니다. 이 분야의 대표 기업 중 하나가 Broadcom이며, 도트컴 시대부터 이어온 기술 대기업입니다.

2016년 Broadcom과 Avago의 합병 이후, 회사의 사업은 인프라 소프트웨어와 연결 하드웨어(무선, 서버, AI 네트워크 등)로 나뉩니다.

출처: Broadcom

또 다른 성장 중인 AI 관련 활동은 CPU, GPU, 메모리를 하나의 전자 장치로 결합한 XPU 설계 및 제조입니다. Broadcom은 ASIC(특정 용도 집적 회로) 생산 경험을 활용해 AI 컴퓨팅 전용 칩을 제작합니다.

출처: Broadcom

이러한 고밀도, 에너지 효율적인 컴퓨팅 유닛은 궤도 AI와 완벽히 맞아떨어집니다. 궤도 AI는 성능과 무게 사이의 최적 균형을 필요로 하며, ASIC의 높은 에너지 효율성은 전력 소비를 줄여 궤도에서 필요한 태양 전지판 무게를 감소시키는 장점이 있습니다.

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