4. 마치며

본 연구를 통해 컴퓨터 발열의 근본적인 원인과 발열 문제를 해결하기 위한 각 부품의 발전 방향을 살펴보았고 직접 실험을 진행해 가장 효율적인 냉각 시스템 구축에 대해 알아보았다.


CPU, 그래픽카드, RAM 등의 부품은 MOSFET의 연산 과정에서 열이 발생한다. MOSFET에 흐르는 전류가 발열의 원인 것이다. 때문에 이들 부품은 집적도를 높여 저항을 작게 해 발열을 줄이는 방향으로 발전했다. CPU의 경우는 코어 수를 늘리는 방향으로 발전하기도 했다. HDD는 기계적인 작동 원리가 발열의 가장 큰 원인이었고 파워 서플라이의 경우는 흐르는 전류의 양 자체가 많아 발열이 컸다. 따라서 HDD는 전기적 원리로 작동하는 SSD로 대체되고 있으며 파워 서플라이는 변압기에 방열판을 설치하고 독립 팬을 장착하는 등의 방법으로 발열 문제를 해결하고 있다.


또한 본 연구에서는 크게 2가지 실험을 통해 효율적인 냉각 시스템 구축에 대해 알아보았다. 일반적인 컴퓨터에서 사용하려면 효율적 측면이 중요하기 때문에 공랭 방식에의 팬의 배치에 대한 실험을 진행했다. 첫 번째 실험에서는 향 연기를 통해 공기의 흐름을 분석해 가장 효율적일 팬의 배치를 예상했고 두 번째 실험에서는 실제 시스템을 구동해 실제 상황에서의 효율적 팬의 배치를 확인해 보았다.


본 연구의 의미는 컴퓨터의 거의 모든 발열체의 발열 원인을 근본적으로 분석하고 실제로 팬의 배치에 따른 여러 번의 실험을 통해 가장 효율적인 경우를 찾아 일반적인 환경에 적용시킬 수 있도록 했다는 것이다. 이전에는 성능적인 측면에서 우수한 액체 질소를 냉매로 한 수냉 방식 등에 대한 연구는 찾아볼 수 있었지만 실제로 적용할 수 있는 효율적인 냉각 시스템에 대해 다룬 글은 없었기 때문에 본 연구 결과를 통해 컴퓨터 제조, 구성 시 발열 문제를 상당부분 해소할 수 있을 것으로 생각된다.

참고 문헌

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 컴퓨터 공학부

http://cseweb.ucsd.edu/classes/fa09/cse141/Slides/21_CMPs.pdf


위키피디아

http://ko.wikipedia.org/wiki/MOSFET

http://en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan

http://ja.wikipedia.org/wiki/MOSFET


하이탑 물리1 2권

3.2. 실제 시스템에서의 실험


3.2.1. 실험 조건

이제 앞의 실험에서 각 번호에 따른 팬 배치에 따라 실제 시스템을 구동했을 때의 온도 변화를 측정해 앞에서 예상했던 결과를 검증해 보았다.



앞의 실험과 같은 환경을 구현하기 위해서 메인보드와 CPU, RAM 그리고 하드 디스크와 파워만 장착했다. 여러 선으로 인한 간섭도 최소화했다. 메인보드를 장착한 면은 나무 판재로 막았으며 다른 면들은 가공에 편한 하드 보드지를 사용했고 밑면은 막지 않았다. 실제 케이스와 다른 나무와 하드 보드지를 사용해 케이스 자체의 열전도율이 조금은 떨어졌을 수 있겠지만 그 오차는 무시하기로 했다.


실험은 AIDA64의 시스템 안정성 검사를 진행해 CPU, RAM, 메인보드 칩셋 및 하드디스크에 과부하를 주어 발열이 일어나게 한 후 5분 후의 온도 상승 정도를 측정했다. 단 메인보드와 CPU의 코어, 하드디스크의 초기 온도를 모두 맞추는 것을 현실적으로 불가능하므로 메인보드는 35°C 내외, CPU는 20℃ 내외로 맞추었다.


3.2.2. 실험

먼저 모든 공기 통로를 막고 팬을 하나도 구동하지 않은 상태에서의 온도이다. 앞으로의 실험 결과와 비교하기 위해 온도를 측정해 보았다. 온도가 꽤 많이 상승했다.


1번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

1번 실험의 결과다. 팬을 아예 가동하지 않았을 때보다는 냉각 효과가 크다.


2번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화:

2번 실험의 결과다. 공기 통로가 있기 때문에 1번의 경우보다는 냉각이 잘 된다. 여기서 메인보드의 온도가 35℃로 매우 낮은 것은 오차로 생각된다.


3번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

3번 실험의 결과다. 2번 실험보다 온도 상승폭이 조금 작다.


4번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

4번 실험의 결과다. 1번, 2번, 3번 실험보다 온도가 낮다.


5번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

전면 상단에 흡입 팬을 배치한 5번 실험의 결과다. 공기 흐름을 분석했을 때에는 냉각이 가장 효율적으로 이루어질 것으로 예상했지만 실제 냉각 효과는 매우 미미했다.


6번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화:

전면 상단에 흡입 팬을 배치한 6번 실험의 결과다. 예상 외로 냉각이 2번째로 효율적으로 이루어졌다.


7번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

윗면 뒤쪽에 흡입 팬을 배치한 7번 실험의 결과다. 예상대로 냉각 효과가 매우 미미했다.


8번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

윗면 뒤쪽에 배출 팬을 배치한 8번 실험의 결과다. 냉각 효과가 가장 컸다.


9번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

측면에 흡입 팬을 배치한 9번 실험의 결과다. 냉각 효과가 3번째로 컸다.


10번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

10번 실험의 결과다. 공기 흐름 분석을 통해서는 가장 효율적일 것이라고 예상했지만 실제로는 3번째로 냉각 효과가 좋았다.


11번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

11번 실험의 결과다. 예상외로 10번 실험보다는 냉각 효과가 좋다.


이상으로 앞의 실험에서 각각의 경우에 따른 실제 냉각 효과를 살펴보았다. 단 팬 2개를 구동했을 때의 실험 결과가 앞의 실험에서 예상했던 결과와 차이가 있었기 때문에 마지막 12번과 13번 실험에서는 지금까지 실제 시스템에서의 실험 결과로부터 효율적일 것이라고 예상되는 2가지 배치로 실험을 진행했다.


12번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

앞의 실제 시스템에서의 실험을 통해 후면 상단 배출 팬과 전면 상단 흡입 팬, 윗면 뒤쪽 배출 팬을 구동했을 때가 가장 효율적일 것이라고 예상했다. 역시 냉각 효과가 가장 우수했다.


13번 실험에서의 팬 배치에 따른 온도 변화 :

13번 실험은 후면 상단 배출 팬과 전면 상단 흡입 팬, 측면 흡입 팬을 구동한 경우이다. 예상 외로 냉각 효과가 미미했다.


3.2.3. 실험 결론

본 실험에서의 결과를 간단히 표로 정리해 보았다.

부품

팬 배치

메인보드

CPU

CPU 코어

HDD

합계

팬 없음

0번 실험

42

45

37

40

164

팬 1개

1번 실험

40

46

37

38

161

2번 실험

35

46

37

37

155

3번 실험

39

44

35

38

156

4번 실험

40

43

34

38

155

팬 2개

5번 실험

38

44

35

36

153

6번 실험

38

42

33

36

149

7번 실험

39

42

35

36

152

8번 실험

36

41

33

36

146

9번 실험

38

41

33

37

149

팬 3개

10번 실험

36

42

33

36

147

11번 실험

36

43

31

36

146

12번 실험

35

41

32

37

145

13번 실험

40

41

31

38

150


각 실험에서의 메인보드, CPU, CPU코어, 하드, HDD의 온도를 표로 정리했다. 각 항목을 독립적으로 고려할 경우 가장 효율적인 경우를 찾기가 힘들기 때문에 4개 항목의 합을 기준으로 효율적인 경우를 찾았다. 그리고 팬의 개수에 따라 가장 효율적인 경우를 강조 표시했다. 물론 실험 시작시의 온도를 맞추지 못해 1℃~2℃ 정도의 오차는 있을 수 있지만 대략적인 결과는 예측할 수 있었다.


결론적으로 케이스 팬을 2개 사용할 경우에는 후면 상단 배출 팬과 윗면 뒤쪽 배출 팬을 사용하는 경우가 가장 효율적이며 팬을 3개 사용할 경우에는 상단 배출 팬과 전면 상단 흡입 팬, 윗면 뒤쪽 배출 팬을 구동했을 때가 가장 효율적이다.


실제 시스템을 구동했을 때의 결과를 비교해 보면 앞 실험에서 예상했던 결과와 차이가 있었다. 그 차이의 원인을 분석해 보았다.

위 모식도는 전면 하단과 후면 상단에 공기 통로를 배치하고 케이스 팬을 하나도 구동하지 않은 경우를 나타낸다. 그리고 앞의 공기 흐름을 관찰한 실험에서는 구동하지 않은 CPU, 그래픽카드, 파워 서플라이의 팬으로 인한 공기 흐름의 방향을 예상해 보았다. 먼저 CPU팬은 타워 형을 사용했기 때문에 CPU를 가로질러 후면으로 향하는 강한 공기 흐름을 만들어준다. 이것 전면 상단에서 후면 상단으로의 공기 흐름이 강한 6번 실험에서의 냉각 효과를 키워줬던 것으로 예상된다. 그래픽카드와 파워 서플라이의 팬은 5번 실험에서 케이스를 가로지르는 공기 흐름을 약하게 했던 것 같다. 때문에 공기의 흐름을 분석했을 때 가장 냉각 효과가 좋을 것으로 예상됐던 5번 실험의 냉각 효과가 떨어진 것으로 보인다.

2.2. 기타 장치에 의한 발열


2.2.1. HDD와 SSD의 발열량 비교

먼저 HDD와 SSD에 대해서는 이전 연구에서 자세히 다루었으므로 여기서는 이전 연구의 일부분을 조금 편집해 인용하려고 한다. 전체 연구는 아래 링크에서 확인할 수 있다.

http://www.kbench.com/hardware/?no=99265&sc=3


HDD는 컴퓨터의 다른 부품과 달리 기계적인 원리로 작동한다. HDD의 경우 플래터를 회전시키고 데이터를 처리할 섹터 위로 헤드를 이동시켜 전자기 유도의 원리에 의해 데이터를 기록하기 때문에 기본적으로 소비 전력이 크고 발열량도 크다. 반면에 최근 보조 기억 장치 시장에서 비중이 커져가는 SSD의 경우 완전히 전자적인 원리로 작동해 HDD에 비해 발열량이 작다.


HDD와 SSD의 전력 소비량 그리고 그에 따른 발열량을 비교해보기 전에 전력과 발열에 대해 알아보자.


위 식은 전력을 나타내는 식이다. 전력이란 전류가 단위 시간 동안에 하는 일 또는 단위시간 동안에 공급된 전기 에너지를 의미한다. 즉 전력량을 단위 시간으로 나누면 전력을 구할 수 있다.


위 식은 발열량을 나타낸다. 위 2개식으로부터 발열량과 전력이 비례 관계에 있음을 알 수 있다. 그러므로 일반적인 경우에서 제품의 소비 전력으로부터 발열량을 유추할 수 있다.


이것을 이용해 직접 HDD와 SSD의 발열량을 비교하는 실험을 진행해 보았다. 공정성을 위해 같은 용량과 같은 디스크 크기의 HDD와 SSD의 발열량을 비교했다. 삼성전자의 2.5 inch 250GB HDD(HM250HI/DOM 250GB)의 활성 상태에서의 소비전력은 2.5W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.85W이다. 삼성전자의 2.5 inch 256GB SSD(MZ-5PA256/KR SSD 256GB)의 활성 상태의 소비 전력은 0.24W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.14W이다. HDD가 SSD보다 전력 소비량이 5배~10배나 많다. 위수치는 삼성전자의 제품 사양 항목에 있는 내용이다. HDD의 경우 최근 1TB 이상의 제품이 대부분이며 SSD는 비교적 작은 용량으로 운영제체를 구동하는 용도로 쓰이는 것 일반적이므로 실제로 차이는 더 크게 난다.



컴퓨터 내부에서는 CPU와 그래픽 카드 등 HDD와 SSD 보다 발열량이 많은 부품들이 많으므로 이런 외부 열원들로 인한 변수를 없애기 위해 컴퓨터 케이스 외부에서 실험은 진행했다. 또한 보다 정확한 실험을 위해 위 사진처럼 HDD와 SSD를 스티로폼 박스 안에 넣은 후에 뚜껑을 덮은 상태에서 실험을 진행했다.


실험은 Hard Disk Sentinel이라는 프로그램을 이용해 HDD와 SSD에 Random Seek Test를 진행해 부하를 주며 온도 상승 정도를 측정하는 방식으로 진행했다.



위 스크린 샷은 각각 HDD와 SSD의 온도 변화 그래프이다. 초기 온도는 32로 같고 실험이 종료될 때 HDD는 38로 6가 올랐고 SSD는 2도 밖에 오르지 않았다. 역시 HDD의 기본적인 전력 소비량이 많고 모터로 플래터를 회전시키는 등 발열 요소가 많기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것 같다.


여기서 한 가지 더 고려해야 할 부분은 실험에 사용된 HDD는 625g이고 SSD는 68g 으로 거의 10배의 가까운 질량차가 있다는 점이다. 때문에 실제 발생한 열량은 더 큰 차이가 있게 된다.



위 식은 발열량을 나타내는 식이다. C는 비열, m은 질량, ΔT는 온도 변화 정도를 나타낸다. 계산을 위해 HDD와 SSD의 온도는 모든 부분이 균일하게 상승했고, 모든 부분은 알루미늄으로 이루어져 있다고 가정하였다. 알루미늄의 비열은 0.22cal/g이다.



위 두 식으로부터 HDD에서는 약 825cal의 열이, SSD에서는 약 29.92cal의 열이 발생했음을 알 수 있다.


지금까지 살펴본 것처럼 HDD는 기계적 원리로 작동하기 때문에 발열이 많으며 SSD는 전기적 원리로 작동해 발열이 적은 점이 HDD가 SSD로 대체되고 있는 이유 중 하나라고 할 수 있다.


2.2.2. 파워 서플라이의 발열

파워 서플라이의 발열은 CPU와 그래픽카드 등 다른 부품에 비해 무시 받는 경향이 있다. 하지만 파워 서플라이의 발열은 생각보다 크며 파워 서플라이에 문제가 생길 경우 시스템 전체가 손상될 수 있다. 이는 개인용 컴퓨터의 첫 팬이 파워 서플라이에 장착된 이유이기도 하다.


파워 서플라이 발열의 원인은 다른 부품들에 비해 비교적 단순하다. 파워 서플라이에 흐르는 전류의 양 자체가 꽤 많기 때문에 자연히 발열도 큰 것이다. 또한 파워 서플라이에 입력되는 220V의 전류를 12V, 5V, 3.3V 등으로 변압하는 과정에서도 많은 열이 발생한다. 그리고 일반적으로 발전소로부터 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 과정 역시 발열의 원인이다.


다른 부품들의 소비 전력을 획기적으로 줄이지 않는 이상 파워 서플라이의 발열 문제 해결은 힘들다고 볼 수 있다. 때문에 파워 서플라이에는 독립적 냉각 팬이 부착되어 있으며 변압기에는 방열판이 기본적으로 장착되는 등 여러 냉각 방법이 사용되고 있다.

2. 컴퓨터의 발열 문제


2.1. MOSFET으로 인한 발열


2.1.1. MOSFET의 구조

컴퓨터의 발열에서 CPU, 그래픽카드, RAM의 발열은 가장 큰 비중을 차지한다. 이들 부품에는 모두 MOSFET이 사용되고 있다. 때문에 MOSFET의 발열에 대해 분석하면 CPU와 그래픽카드, RAM의 발열에 대해 모두 이해할 수 있다.



위 그림은 MOSFET의 모식도이다. MOSFET은 실리콘 베이스에 N형 또는 P형 반도체 소자를 삽입한 것이다. 여기서 삽입된 반도체 소자는 Source와 Drain으로 구분되고 Gate를 통해 사이에 전압을 걸 수 있는 구조로 되어 있다.


MOSFET은 Source와 Drain 사이에 전류가 흐르면 1, 전류가 흐르면 0이 되는 일종의 스위치 역할을 하며 이런 MOSFET들을 논리 회로로 연결해 연산이 이루어진다. 즉 Source와 Drain 사이에 흐르는 전류로 인한 발열이 바로 컴퓨터 발열의 원인이다.


이때 Source와 Drain 사이에 전류가 흐르려면 주 지점 사이에 전위차가 있어야 한다. MOSFET에서는 Gate를 통해 Source와 Drain 사이에 전압을 걸어 준다. 즉 Gate에서 Source와 Drain 사이에 전위차를 만들어 주면 Source에서 실리콘을 통해 Drain으로 전자가 이동하며 CPU가 작동하는 것이다.


2.1.2. MOSFET의 집적도 증가

MOSFET에서 부품의 연산 속도, 즉 클록을 높이려면 MOSFET에서 전자가 많이 이동해야 한다. 즉 실리콘을 통해 이어진 Source와 Drain 사이에 많은 전류가 흘러야 한다는 것이다.



물론 위 식은 옴의 법칙으로 반도체 등 초고주파 분야에서는 정확히 성립하지 않지만 대체적으로 성립하기 때문에 이 부분에서 이용하기로 했다. 위 식으로부터 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례함을 알 수 있다. 즉 전류를 증가시키려면 전압을 높이거나 저항을 작게 해야 한다는 것이다. 그런데 전압을 높이게 되면 소비 전력도 증가해 발열량 역시 증가하기 때문에 전압을 높이는 데에는 한계가 있다. 그러므로 저항을 낮춰야 한다. 그런데 저항 R은 다음과 같이 표현할 수 있다.



여기서 ρ는 비저항으로 물체의 고유 성질이다. 여기서는 실리콘의 비저항이 된다. 그리고 l은 전류가 흐르는 거리, S는 전류가 흐르는 단면적이다. 위 식으로부터 저항은 전류가 흐르는 거리에 비례하고 단면적에는 반비례함을 알 수 있다. 이때 전류는 반드시 도체의 표면으로만 흐리기 때문에 단면적은 바꾸기가 어렵지만 거리는 바꿀 수 있다. MOSFET에서 전류가 흐르는 거리는 Source와 Drain 사이의 거리라고 할 수 있다. 즉 Source와 Drain 사이의 거리가 짧을수록 저항이 작아진다. Source와 Drain 사이의 거리가 짧아지면 저항이 작아지게 되고 결국 전류가 더 많이 흐를 수 있게 되는 것이다.


그래서 반도체의 발전 방향은 언제나 집적도를 높이는 방법, 즉 Source와 Drain 사이에 거리를 좁히는 방법으로 이루어지고 있다. 같은 성능을 구현할 때 소비 전력이 낮아져 발열량이 줄어들기 때문이다. CPU의 경우 현재 Intel의 2세대 i시리즈 제품군 Sandy Bridge CPU는 32nm 공정으로 제조된다. 여기서 공정의 의미는 Source와 Drain 사이 거리의 1/2을 의미하는 것으로 32nm 공정의 경우 Source와 Drain이 64nm 떨어져 있다는 것이다. 1세대 i시리즈 제품군이 45nm 공정으로 제조된 것을 보면 엄청난 발전 속도이다. 그래픽카드의 경우 역시 40nm 공정의 제품이 생산되고 있고 RAM의 경우는 올해 삼성과 엘피다가 잇따라 20nm 공정 기술을 개발했다며 화제가 되기도 했다.


최근 Intel에서 개발해 화제가 된 3D 기술 반도체 기술 역시 집적도를 높이기 위한 기술이라고도 볼 수 있다. 5월 초 Intel은 차세대 CPU Ivy Bridge 제품군에 Tri Gate로 명명된 3D 트랜지스터 기술이 사용될 것이라고 발표했다. 이전의 평면적 구조였던 MOSFET을 입체적 구조로 개발했다는 것이다.



위 그림은 이전의 2D 구조의 MOSFET과 최근 Intel에서 발표한 3D MOSFET을 비교한 것이다. 3D MOSFET은 컴퓨터의 발전에 큰 의미를 갖고 있다. 물론 전류가 흐르는 채널의 수가 증가해 전류가 흐르는 단면적이 커지고 그에 따라 저항이 작아져 흐를 수 있는 전류가 증가했다는 장점도 갖고 있다. 하지만 3D MOSFET의 가장 큰 의미는 현재 공정이 근접했던 집적도의 한계를 다시 높였다는 것이다. MOSFET의 집적도를 높이는 것의 가장 큰 걸림돌은 터널링 효과로 인한 누설 전류의 감소인데 3D MOSFET의 경우 이 누설 전류를 대폭 감소시킬 수 있다고 한다. 때문에 Intel은 2015년까지 10nm 공정의 CPU 양산이 가능하다는 계획을 발표하기도 했다.


2.1.3. CPU의 코어 수 증가

CPU의 경우 발열 문제의 해결을 단순히 CPU의 집적도를 높이는 방향뿐만 아니라 다른 방향으로도 해결하고 있다. 2000년대 초반 당시 집적 기술로는 CPU의 클록을 더 이상 높이기 힘든 상황에 직면했다. 집적도를 높이기 위해서는 실리콘 베이스에 Source와 Drain을 좁은 간격으로 정확하게 삽입할 수 있어야 할 뿐 아니라 터널 효과에 의해 빠져나가는 전자들, 즉 누설 전류로 인한 문제도 해결해야 한다. 이런 기술적 기반이 없어서는 CPU의 집적도를 높일 수가 없다. 때문에 CPU의 발전은 새로운 방향으로 이루어지게 되었다.



위 식은 CPU 코어의 소비 전력에 관한 식이다. P는 소비 전력, C는 콘덴서의 용량을 의미하며 상수로 취급할 수 있다. 그리고 f는 주파수, 즉 동작 클록을 의미하며 V는 전압을 의미한다. Source와 Drain 사이에 흐르는 전류의 양을 증가시키려면, 즉 동작 클록을 높이려면 높은 전압이 필요하다. 그리고 많은 실험을 통해 위 식에서 아래 식을 이끌어낼 수 있었다. 위 식은 클록과 전압은 비례한다는 기본적 이론을 이용한 많은 실험을 통해서 아래와 같이 단순화 되었다.



위 식에서 CPU 코어의 소비 전력은 클록의 세제곱에 비례한다. 또 발열량은 소비 전력에 비례하므로 클록이 증가할수록 발열량은 급격하게 증가한다. 그러므로 한 코어에서 높은 클록을 구현하는 것보다 여러 개의 코어에서 비교적 낮은 클록을 구현하는 것이 소비전력이 낮고 발열량은 적다.


실제로 같은 성능을 발휘할 때 하나의 코어를 높을 클록에서 작동시켰을 때와 여러 개의 코어를 낮은 클록에서 작동시켰을 때의 발열량을 비교해보았다. 실험에 사용된 CPU는 AMD PhenomII X6 1055T의 125W 제품이다. 코어 하나의 기본 동작 클록은 2.8Ghz이며 코어 수는 총 6개인 헥사 코어이다. 실험 조건을 동일하게 해 주기 위해 실험을 시작할 때의 CPU 온도는 35로 같게 하였다. 이 상태에서 AIDA64의 시스템 안정성 테스트를 진행해 7분 동안 CPU 자원을 모두 사용해 부하를 주었다. 또한 CPU 팬의 회전 속도를 낮게 고정시켜 CPU의 온도 변화를 확대했다.



먼저 1개의 코어만 활성화시킨 상태에서 3.5Ghz로 오버클록을 해 보았다. 이 상태에서 CPU의 총 클록은 3.5Ghz이다.



그리고 7분 동안 CPU에 부하를 주었다. 시작할 때의 온도는 30였고 7분 후의 온도는 57였다. 27 정도가 상승했다. 온도의 상승 폭을 더 잘 보기 위해 온도 그래프를 확대했다.



이번에는 코어의 연산 속도를 1.0Ghz로 낮추고 4개의 코어를 활성화시켰다. 위와 같은 상황에서 CPU는 총 4.0Ghz의 자원을 활용할 수 있어 앞의 실험보다 더 높은 성능을 발휘한다.



역시 똑같은 조건에서 실험을 진행했다. 이번 실험에서 온도는 15상승해 45가 되었다. 앞에서의 실험보다 오히려 더 높은 연산 속도에서도 발열량은 적었다.



위 식을 이용해 이론적인 발열량도 비교해 보았다.



이론적으로도 같은 성능을 구현할 때 한 코어의 클록을 높게 구현하는 것보다 여러 개의 코어로 각각 비교적 낮은 클록을 구현하는 것이 전력 및 발열 측면에서는 효율적이라는 것을 알 수 있다. 물론 위 실험은 헥사 코어로 설계된 CPU에서 일부 코어만 활성화해 진행했고 기본 전압이 유지되어 실험 결과가 이론적 결과와 정확하게 일치하지는 않는다. 어쨌든 위 실험을 통해 CPU의 발전이 단순히 코어의 클록을 높이는 방향에서 코어의 수도 늘리는 방향으로 이루어지게 된 것 역시 발열 문제의 영향이 컸다는 것을 알 수 있다.



컴퓨터의 발열 문제와

효율적인 냉각 시스템 구축


2011.07












1. 들어가며


컴퓨터 시스템을 구축할 때 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 발열 문제를 해결하기 위한 냉각 시스템의 구축이다. 컴퓨터의 핵심 부품인 CPU, 그래픽카드, RAM, HDD, 파워 서플라이 등이 작동할 때 여러 원인에 의해 열이 발생하게 된다. 이 열을 식히는 냉각 시스템이 구축되지 않을 경우 컴퓨터의 성능에 문제가 발생할 뿐 아니라 여러 부품의 내구성이 떨어지고 심지어 컴퓨터가 아예 작동하지 않을 수 있기 때문이다.


이런 이유로 컴퓨터의 발전 방향에 있어서 발열 문제는 많은 영향을 미쳐왔다. 더 높은 성능을 구현할 수 있는 기술적인 기반이 있다 해도 실제 상황에서의 발열 문제가 해결되지 못하면 제품화가 불가능하기 때문에 컴퓨터의 발전은 단순히 성능 향상뿐만이 아니라 발열량을 줄이는 방향으로도 이루어졌다.


컴퓨터의 핵심 부품인 CPU와 그래픽카드, RAM의 경우 트랜지스터의 한 종류인 MOSFET으로 이루어져 있다. MOSFET 내부의 전자의 이동으로 연산이 이루어지는 것이다. 이 과정에서 열이 발생하게 되는데 MOSFET의 집적도가 높일수록 발열량을 줄일 수 있다. 때문에 CPU, 그래픽카드, RAM의 발전은 집적도를 높이는 방향으로 이루어졌다. CPU의 경우 집적도를 높이는 것에 한계에 부딪혀 코어의 수를 늘리는 방향으로 발전이 이루어지기도 했다.


HDD와 파워 서플라이 역시 컴퓨터에 반드시 필요한 부품이다. HDD의 경우는 다른 컴퓨터 부품들과 같이 전기적인 원리로 작동하는 것이 아니라 기계적인 원리로 작동하기 때문에 당연히 소비전력이 크고 발열량도 많다. 이는 전기적 원리로 작동해 발열이 적은 SSD의 사용이 많아지는 이유 중 하나이기도 하다. 그리고 파워 서플라이의 경우 전류의 변압 및 정류 과정에서 많은 열이 발생하게 된다.


컴퓨터의 발열을 근본적으로 해결할 수는 없기 때문에 효율적인 냉각 시스템의 구축이 필요하다. 현재 일반적인 개인용 컴퓨터, 즉 PC의 냉각은 팬을 이용해 케이스 외부의 찬 공기를 흡입해 내부 부품의 열을 빼앗고 다시 케이스 내부의 더운 공기를 배출하는 공랭 방식이 사용되고 있다. 일반적인 공랭 방식의 컴퓨터의 경우 발열량이 특히 많은 CPU, 그래픽 카드, 파워 서플라이 등에는 별도로 팬이 장착되어 있고 케이스에도 3개 내외의 팬이 장착되어 있다. 컴퓨터 케이스 냉각 팬의 배치에 따라 공기의 흡입량과 배출량이 다를 수 있고 케이스 내부에서의 흐름의 차이가 생기기 때문에 같은 수의 팬을 사용한다고 해도 실제 냉각 효과는 차이가 날 수 있다.


따라서 본 연구에서는 먼저 컴퓨터 시스템의 발열 요소 및 그 원인을 살펴본 후 컴퓨터 시스템의 케이스 내부 온도를 낮추는데 가장 효율적인 공기 흐름을 만들 수 있는  케이스의 구조 및 냉각팬 배치를 찾는 실험을 하였다.

4. HDD와 SSD의 전력 소비량/발열량 비교

HDD의 또 다른 단점은 기계적으로 플래터를 회전시키는 방식으로 구동되기 때문에 전기적 신호로 구동되는 SSD보다 전력 소모가 훨씬 많다는 점이다. 전력 소모가 많아지면 당연히 발열도 많아지게 된다. 이런 문제 때문에 휴대성이 중요한 넷북이나 노트북에는 SSD가 사용되는 경우가 많다.

HDD와 SSD의 전력 소비량 그리고 그에 따른 발열량을 비교해보기 전에 전력과 발열의 대해 알아보자. 전력이란 전류가 단위 시간 동안에 하는 일 또는 단위시간 동안에 공급된 전기 에너지를 의미한다. 보통 P로 나타내며 단위는 W이고 1W=1J/s이다. 전력은 전류의 일률 개념이므로, 전력을 구하기 위해서는 먼저 전류의 일 개념인 전력량을 구할 수 있어야 한다. 전력량은 어느 시간 동안에 소비된 전기 에너지이므로 전기 에너지와 같은 개념으로 생각할 수 있다.

전위차가 V인 두 지점 사이에서 전하량 만큼이 이동할 때 전력량 W=qV가 되고 시간 초 동안 전류 I가 흐를 때의 전하량은 q=It이므로 W=qV=IVt로 표현할 수 있다. 여기에 옴의 법칙을 대입하면 전력량은 다음과 같이 표현된다.

                   (4)

그런데, 앞에서도 말했듯이 전력인 전류의 일률 개념이고 전력량은 전류의 일 개념이므로 일률 P=dW/dt와 equation(4)를 이용하여 다음과 같이 표현할 수도 있다.

                       (5)

또한 발열량 Q=VIt이므로 발열량이 전력 소비량과 비례함을 알 수 있다. 중요한 점은 컴퓨터 내부에서는 본체의 온도를 일정하게 유지해 주여야 하므로 내부 부품의 온도가 높아질 경우 그 온도를 낮추기 위해 냉각 팬을 가동하므로 결국 기기 자체의 전력 소비와는 별개의 전력 소비가 이루어진다는 점이다. 실제로 컴퓨터의 전체 전력 소비량의 상당 부분이 냉각을 위해 사용된다.

공정성을 위해 같은 용량과 같은 디스크 크기의 HDD와 SSD의 전력 소모를 비교해보자. 삼성전자의 2.5inch 250GB HDD(HM250HI/DOM 250GB) 의 활성 상태에서의 소비전력은 2.5W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.85W이다. 삼성전자의 2.5inch 256GB SSD(MZ-5PA256/KR SSD 256GB) 의 활성 상태의 소비 전력은 0.24W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.14W이다. HDD가 SSD보다 전체적인 전력 소비량이 몇 배 이상 많다. 위수치는 삼성전자의 제품 사양 항목에 있는 내용이다. HDD의 경우 최근 1TB 이상의 제품이 대부분이며 SSD는 비교적 작은 용량으로 운영제체를 구동하는 용도로 쓰이는 것 일반적이므로 실제로 차이는 더 크게 난다.

Fig. 4-1 HDD의 발열량 측정을 위한 실험장치

Fig. 4-2 SSD의 발열량 측정을 위한 실험장치

발열량 측정은 단순히 컴퓨터상에서의 벤치마크가 아니라 실제로 실험을 해 보았다. 컴퓨터 내부에서는 CPU와 그래픽카드 등 HDD와 SSD보다 발열량이 많은 부품들이 많으므로 이런 외부 열원들로 인한 변수를 없애기 위해 컴퓨터 케이스 외부에서 실험은 진행했다. 또한 보다 정확한 실험을 위해 Fig. 4-1과 Fig. 4-2처럼 HDD와 SSD를 스티로폼 박스 안에 넣은 후 뚜껑을 덮었다. 그리고 Hard Disk Sentinel이라는 프로그램을 이용해 HDD와 SSD에 Random Seek Test를 진행해 스트레스를 주었다. 실험은 20분 동안 진행되었으며 같은 정도의 스트레스를 주었다.

Fig. 4-3 발열량 실험에서 HDD의 온도변화

Fig. 4-4 발열량 실험에서 SSD의 온도변화

Fig. 4-3, Fig. 4-4 는 각각 HDD와 SSD의 온도 변화 그래프이다. Hard Disk Sentinel은 Random Seek Test를 진행하면서 스트레스를 주고 있는 저장장치의 온도 변화를 측정할 수 있다. 초기 온도는 32℃로 같고 실험이 종료될 때 HDD는 38℃로 6℃가 올랐고 SSD는 2℃ 밖에 오르지 않았다. 역시 HDD의 기본적인 전력 소비량이 많고 모터로 플래터를 회전시키는 등 발열 요소가 많기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것 같다.

여기서 한 가지 더 고려해야 할 부분은 바로 실험에 사용된 HDD는 625g이고 SSD는 68g 으로 거의 10배의 가까운 질량차가 있었다는 것이다. 때문에 실제 발생한 열량은 더 큰 차이가 있게 된다.

계산을 위해 HDD와 SSD의 온도는 모든 부분이 균일하게 상승했고 모든 부분은 비열이 0.22cal/g℃인 알루미늄으로 이루어져 있다고 가정하였다. 그리고 각각의 값들을 발열량 식 Q=Cm△T에 대입해서 각각의 발열량을 계산해 보았다.

      

      

즉 HDD에서는 825cal의 열이, SSD에서는 29.92cal의 열이 발생했음을 알 수 있다. 그리므로 실제 HDD에서는 SSD의 약 30배가 가까운 열량이 발생한 것이다. 앞 전력 소모량 수치의 차이보다 더 크다. 이는 같은 전력이 공급되었을 때도 HDD의 발열량이 SSD의 발열량보다 크다는 것을 위미한다. 이처럼 HDD는 SSD보다 발열면에서 크게 불리하다.

위 실험처럼 HDD는 SSD보다 전력 소비가 훨씬 많고 그에 따라 발열량도 커진다. 이는 휴대성을 강조하는 요즈음 트렌트에 큰 지장이 되기 때문에 앞에서도 말했듯이 휴대용 컴퓨터에는 SSD가 보다 많이 사용되고 있다.

  1. KYJ 2015.05.12 14:59 신고

    글은 너무 좋은데 브라운 성형외과 광고가 떡하니 중간에 자리잡아서 절대 없어지지않네요 누르면 닫힌다고 해서 누르면 즈그 홈페이지로 연결되고 ㅡㅡ 아진짜 완전 좋은글 몇십분만에 겨우찾았는데 진짜 .. 너무 너무열받음ㅋㅋㅋㅋ 발열량 찾다가 내가 발열하는 상황.. 무튼 좋은글 잘읽고 갑니다.!

3. HDD와 SSD의 섹터별 속도 차이 비교

HDD의 또 다른 단점은 원판 모양의 플래터 위에 데이터를 기록하고 플래터가 회전하면서 데이터를 읽고 쓰는 원리이기 때문에 섹터의 위치에 따라 선속도가 달라지고 이것이 실제 성능 차이로 이어진다는 것이다.

각속도란 원주 위를 운동하는 물체가 단위 시간당 회전한 각도의 크기를 의미하며 다음과 같이 표현된다.

                                     (1)

또한 평균 각속도의 크기는 물체가 , 즉 2πrad을 회전하는 데 주기 만큼의 시간이 걸리므로 다음과 같이 표현할 수 있다.

                                     (2)

선속도는 원주 위를 운동하는 물체의 단위시간당 원주방향 이동거리를 의미하며 평균 선속도는 회전 주기 당 원의 둘레길이이므로 다음과 같이 표현된다.

                       (3)

Fig. 3-1 선속도와 각속도의 관계

일반적으로 사용 많이 사용되는 HDD의 플래터의 반지름은 3.5inch, 즉 8.89cm이다. 여기에 플래터를 돌려주는 스핀들의 반지름이 보통 1inch, 2.54cm임을 고려해야 한다. 즉, 플래터의 가장 바깥쪽 섹터는 플래터의 중심으로부터 8.89cm 떨어져 있고 가장 안쪽 섹터는 플래터의 중심으로부터 2.54cm 떨어져 있다. 그리고 대부분의 3.5inch HDD의 회전 속도는 7200rpm으로 회전 주기는 1/120sec 이다. 따라서 가장 바깥쪽 섹터의 선속도는 equation(3)으로부터

으로 약 6.7m/s 이다. 또한 가장 안쪽 섹터의 선속도는 같은 식으로부터

으로 약 1.9m/s 이다. 실제 선속도는 3배 이상 차이가 나게 된다. 물론 Controller를 포함한 부가적인 기술의 발전으로 실제 성능은 3배까지 차이가 나지는 않지만 분명히 큰 차이가 존재한다. 실제로 읽기, 쓰기 속도의 벤치마크 결과 값에서도 시작 부분과 끝 부분의 성능이 3배 가까이 차이가 난다. 이는 보통 플래터의 가장 바깥쪽의 있는 C 드라이브의 속도와 플래터의 안쪽에 위치하는 D, F 드라이브의 성능 차이가 3배 가까이 난다는 것이다.

이런 섹터의 위치에 따른 성능 불균형은 전체적인 시스템 성능의 저하를 유발한다. HDD 의 기록되는 파일들은 보통 여러 개의 섹터에 나누어져 저장된다. 한 개의 파일이 여러 개의 섹터에 나누어져 저장되면 각 섹터들로 헤드가 이동하는 데 Access Time이 생길 뿐 아니라 읽기 속도의 불균형으로 전반적인 속도가 떨어지게 된다.

그에 비해 SSD의 경우는 데이터의 읽기, 쓰기 모든 과정이 전기적으로 이루어지고 같은 성능의 Nand Flash Memory의 데이터를 같은 우선순위로 Controller에서 처리하므로 섹터별 성능 차가 거의 없게 된다.

Fig. 3-2 HDD의 64KB 파일의 읽기 속도 측정결과

Fig. 3-3 SSD의 64KB 파일의 읽기 속도 측정결과

위 2개의 그래프는 HDD와 SSD의 64KB 파일에 대한 실제 읽기 속도를 벤치마크 프로그램을 이용하여 측정한 결과이다. Fig. 3-2는 HDD 그래프로 실제로 속도가 갈수록 감소하고 있고 Fig. 3-3은 SSD 그래프로 비교적 균일하다. 벤치마크의 사용된 HDD는 최신 Controller 기술이 사용되어 비교적 성능의 낙폭이 적은 것을 참고하면 좋을 것이다.

Fig. 3-4 사용 중인 1TB HDD 의 쓰기속도 (D 드라이브: 가장 바깥쪽 파티션)

Fig. 3-5 사용 중인 1TB HDD 의 쓰기속도 G 드라이브: 가장 안쪽 파티션)

이번에는 쓰기 성능 비교를 해 보자. 나는 1TB의 HDD를 총 4개의 파티션으로 나누어 관리하고 있다. 가장 바깥쪽에 위치한 파티션은 D 드라이브이고 가장 안쪽에 위치한 파티션은 G 드라이브이다. 같은 저장장치 내에서 읽기, 쓰기 작업을 동시에 진행하면 오차가 생기므로 기계적으로 다른 저장장치인 SSD에서 파일을 복사하는 속도를 비교해 보았다. Fig. 3-4이 D 드라이브, Fig. 3-5가 G 드라이브이다. 즉 HDD의 가장 바깥 부분과 가장 안쪽 부분에 쓰기 작업을 해 본 것이다. 실제로 2배 가까이 쓰기 속도의 차이가 난다. 여기서 D드라이브와 G드라이브의 섹터가 모두 HDD의 가장 바깥쪽, 안쪽 트랙이 아닌 것을 감안하면 성능 차이가 더 크다는 것을 알 수 있다.

앞에서 분석했듯이 HDD의 가장 바깥쪽과 안쪽 섹터의 선속도 차이가 큰 것을 실제 읽기, 쓰기 성능의 차이가 뒷받침해주고 있다.

제 블로그에 올린 글입니다.
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 1. 들어가며
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 2.1. MOSFET으로 인한 발열
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 2.2. 기타 장치에 의한 발열
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 3.1. 냉각 팬의 배치에 따른 공기 흐름 분석 실험
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 3.2. 실제 시스템에서의 실험
[Researches/Computer Heat and efficient Cooling] - 4. 마치며

한글 문서입니다.

컴퓨터의 발열 문제와 효율적인 냉각 시스템.hwp


케이벤치 기고 주소입니다.
http://www.kbench.com/hardware/?cc=28&sc=0&no=102730

파코즈 소개 주소입니다.
http://www.parkoz.com/zboard/view.php?id=my_tips&page=1&sn1=&divpage=3&sn=on&ss=off&sc=off&keyword=%B1%E8%B4%D9%C0%AD&select_arrange=headnum&desc=asc&no=14677

단, 제 블로그에 올린 글과 한글 문서는 일부 내용이 수정되었습니다. 
  1. 행인 2011.07.28 10:57 신고

    선리플 후감상입니다~

    첨부된 한글파일 다운로드가 되질 않네요~

    케이벤치보단 한글파일로 보는게 편해서 ㅎㅎ

    아무튼 수고하셨습니다.

    한글파일 다시 올라오면 보도록 할게요~

    • 초록 날개 2011.07.28 22:20 신고

      아, 크롬에서 올렸더니 정상적으로 올라가지 않았네요..
      IE에서 다시 올렸습니다~

      혹시 잘못된 내용 있으면 알려주세요~^^

오랫동안 생각한 끝에 '컴퓨터의 발열 문제 및 효율적인 냉각 시스템 구축'을 연구 주제로 정했습니다.

일단 주제를 결정하니 전체적인 틀은 금방 짤 수 있었습니다.

1. 서론
컴퓨터의 발전과 발열-발열 문제 해결에 많은 에너지 소모
CPU의 발전 변화(클럭 증가->코어 수 증가)
HDD->SSD(이전 연구 참고)
기타 주요 부품 및 쿨러의 변화
쿨링 시스템의 필요성(휴대성, 고사양)

2. 컴퓨터의 발열 문제(전체적인 부분)
1)CPU-발열이 성능 향상의 큰 걸림돌
실험-클럭/코어
W-발열 비교
노트북 비교
2)HDD
SSD와 비교
노트북에서의 위치
3)RAM
4)전원부 및 메인보드
5)그래픽카드

3. 효과적인 냉각 시스템 구축
1)공냉
실험-쿨러 배치
실험-CPU 타워형/원통형
공기 흐름 분석
2)수냉 및 기타 냉매
자료 참고
3)창의적 해결 방법

4. 결론
앞으로의 발전 과정
GPU, 퓨젼 등
DNA, 양자 등
한계는 없다.

내일 기말고사가 끝납니다.
일요일부터 본격적으로 진행해 7월 20일쯤에 끝내는 것이 계획입니다.

혹시 개요에 보완할 점이 있으면 조언 좀 부탁드립니다. 
  1. 새장속새 2011.07.02 14:03 신고

    발열이 심해져 부품이 맛이 간 경험이 있어서... 중요하다고 생각합니다.ㅋㅋ

  2. 행인 2011.07.02 20:15 신고

    발열쪽으로 정하셨군요~
    벌써부터 기대가 되네요..^^;

  3. 백승윤 2011.07.12 11:43 신고

    기대됩니다.^^

이 글에서는 기가바이트 사의 메인보드인 GA-870A-UD3 에서 CPU 의 팬 속도를 조절하는 방법에 대해 설명해 보겠습니다.

기가바이트 사의 GA-870A-UD3 은 USB 3.0, SATA 3.0 등 여러가지 최신 기술과 AMD 870 칩셋 등을 사용해 안정성을 함께 갖추고 있는 모델입니다. AM3 소켓이 장착되어 최근 출시된 AMD 의 페넘2 시리즈와 주로 사용되는데요, 그중에서도 코어가 6개인 헥사코어 투반과 함께 사용되는 경우가 많습니다.
투반은 코어 수가 6개나 되면서도 중상급의 클럭으로 동작하기 때문에 발열이 상당히 심하기 마련입니다. 그래서, 기본적인 CPU 팬의 속도도 매우 빠르죠. 다만, 팬의 기본 회전 속도가 좀 심할 정도로 빠릅니다. CPU 의 온도는 그리 높지 않은데, CPU 팬의 회전 속도는 매우 빠르죠. 물론, 제품의 수명과 성능 면에서는 좋겠지만, 사용자가 사용하기에는 팬 소리가 거슬리죠.

GA-870A-UD3 은 이런 문제를 해결하기 위해 CPU 의 팬 속도를 조절할 수 있는 프로그램을 제공하고 있습니다.
먼저, 메인보드 구입시 제공하는 DVD 를 넣습니다.

만약 자동실행 관련 창이 뜬다면 Run.exe 를 실행 옵션을 선택합니다.

소프트웨어 어플리케이션 영역에서 EasyTune 6 를 설치합니다.

이제, 프로그램을 실행하세요.
EasyTune 에서는 팬 속도 조절 뿐 아니라, CPU 및 램 의 기본 정보 확인 및 자동 오버 클릭 등의 여러가지 기능도 지원합니다.
여기서는 Smart 를 클릭하세요.

Smart 탭에서 팬 속도를 조절할 수 있습니다.
Advanced 설정을 선택하고, CPU 온도에 따른 팬의 회전 속도를 지정하신 후, Set 버튼을  클릭해 적용하시면 됩니다.
저는 위와 같은 설정을 권장해 드리는데요, 이 정도면 CPU 의 온도도 그리 높이 올라가지 않고, 팬 소리도 거의 들리지 않습니다.

  1. 질문자 2010.10.06 17:37 신고

    투반 1090T CPU의 정품 쿨러도 팬속도 조절 프로그램을 통해 소음을 낮출 수 있나요..?
    1055T의 경우 최근에 나오는 정품 쿨러가 소음이 많이 개선된 업그레이드된 쿨러인 것으로 아는데..
    1090T의 정품 쿨러는 그렇지 않아 소음이 여전히 심한 것으로 알고 있습니다.
    1090T 정품 쿨러도 소개해 주신 프로그램을 통해 소음을 없앨 수 있는지 확인 가능할까요..?
    안되면 사제 쿨러를 달아야 소음을 줄일 수 있나요..?

    • 초록 날개 2010.10.06 17:55 신고

      솔직히 1090T 정도 CPU 면 사제쿨러가 필수일 것 같네요...;;
      물론 제가 소개한 프로그램으로 팬 속도 조절은 가능하시겠지만, 사제 쿨러를 강력 권장해드립니다!

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