1학년 2학기에 진행했던 연구입니다. 조금 늦게 공개합니다.

블로그 포스팅입니다.


이번 연구는 로우 데이터가 방대해 엑셀과의 호환을 위해 마이크로소프트 워드로 작성했습니다. 원본에서 블로그 등록 시 한글보다 완전하게 보입니다. 소스 자체도 문제가 적습니다.


PDF 파일을 공개합니다.


Wi-Fi 간섭 최소화를 위한 최적 채널 배치 알고리즘.pdf


1학기에 얻었던 결론과 상충되는 부분은 2학년 1학기 때 다시 연구하겠습니다.


논문을 작성할 때 많은 분들께 조언을 받았습니다.

wopd 님, 길가던뉴비 님, 파란 님, 정다운 님, 프루나 님, Nightblossom 님, 환타 님, 낭만지리 님, Modozo 님, 낙랑천랑 님, 괴인 님 다시 한번 감사드립니다.


연구 방법, 데이터 해석 등의 문제 지적은 다음 연구에 도움이 됩니다. 전문가분들의 조언 부탁드립니다.


감사합니다.


  1. 2013.02.10 12:24

    비밀댓글입니다

  2. 2013.02.10 12:29

    비밀댓글입니다

  3. 2013.02.10 12:29

    비밀댓글입니다

WiFi 통신의 신호 간 간섭 분석을 통한 간섭 최소화 방안 제안에 대한 연구입니다. 2012년 5월달에 진행했습니다.


블로그 포스팅입니다.

[Researches/WiFi Interference] - 초록

[Researches/WiFi Interference] - Ⅰ. 서론

[Researches/WiFi Interference] - Ⅱ. 이론적 배경

[Researches/WiFi Interference] - Ⅲ. 실험 방법

[Researches/WiFi Interference] - Ⅳ. 실험 결과

[Researches/WiFi Interference] - Ⅴ. 고찰

[Researches/WiFi Interference] - Ⅵ. 결론


한글 문서입니다.

WiFi 통신의 신호 간 간섭 분석을 통한 간섭 최소화 방안 제안.hwp


처음 계획은 802.11ac 규격의 확장된 채널 본딩 기능을 이용해 가장 효율적인 대역폭 분배 방안을 찾는 것이었습니다. 하지만 당시 802.11ac 규격을 지원하는 기기가 출시되지 않아 연구를 진행하지 못했습니다. 효과적인 대역폭 분배 방안은 여름방학이나 2학기 중에 진행하려고 합니다.


앞으로 진행할 연구에 혹시 802.11 통신과 네트워크 분야 전문가 분께서 도움을 주시면 정말 감사하겠습니다. 아직 국내 업체에서 802.11ac 규격 지원 제품을 출시하지 않아 802.11ac 지원 기기에 대한 정확한 정보를 찾기가 힘듭니다. 그리고 통신 성능을 측정하는 부분에서도 어려움을 겪고 있습니다. 이 부분에 대해 도움 주실 분을 찾습니다.


이 글은 원본 출처[http://grwings.com/551] 만 밝혀 주시면 자유롭게 공유하실 수 있습니다.


정말 오랜만에 글을 씁니다.

 

5월 첫째주에 진행했던 과제 연구 사진입니다. 연구 주제는 WiFi 통신의 신호 간 간섭 분석입니다.

 

처음에는 노트북 3대와 기가빗 통신 지원 유선 공유기, 802.11n 통신 지원 무선 공유기 2대를 사용해 하나의 노트북을 서버로 두고 다른 2개 노트북과의 파일 전송 속도로부터 통신 속도를 측정하려고 했습니다. 3개 노트북을 그룹화 하기까지는 성공했는데 파일 전송 속도가 비정상적으로 느린 문제를 해결하지 못해 결국 직접적으로 인터넷 속도롤 측정하기로 했습니다.

 

실험은 컴퓨터실에서 진행했습니다. 컴퓨터실에 무선 공유기가 있어서 연구 기간동안 꺼 두었습니다.

 

실험 환경을 구축한 모습입니다.

 

알루미늄 호일로 간이 반사판을 만들었습니다.

 

이와 같인 형태의 반사판이 가장 효과가 좋았습니다.

 

연구 마지막 날 데이터 정리하는 모습입니다.

논문은 다음 주 중에 완성될 듯 합니다.

  1. 행인 2012.06.11 11:23 신고

    정말 오랜만이네요~^^
    노력하는 모습에 박수를 보냅니다.
    근데 기가바이트 공유기보단 기가비트 공유기가 더 맞을것 같습니다~
    암튼 연구 결과 기대됩니다.

    • 초록 날개 2012.06.17 21:34 신고

      ㅎ 오랜만이시네요...ㅎㅎ 기가빗으로 고쳤습니다...ㅎㅎ
      논문(?)은 완성한 상태고요.. 기말 끝나고 적당히 봐서 올리겠습니다..ㅎㅎ

  2. SJ 2012.10.28 15:24 신고

    블로그에 컴퓨터 관련 글들을 보고 굉장히 흥미있었는데 세종과고 후배네요ㅋ

한 학기, 어쩌면 한 학년 이상 진행할 연구 주제의 윤곽을 잡았습니다. 간단한 아이디어에서 출발해 약 10일 동안 관련 정보를 조사하고 많은 분들꼐 여쭤보며 크게 3가지 방향으로 주제를 잡았습니다.

전체적으로 와이파이, 정확히 말해 802.11n 통신과 관련해 연구를 진행할 것입니다. 대략적인 내용은 정리해 보겠습니다.

먼저 802.11n 통신에서의 효율적인 대역폭 분배에 대한 실험을 하려고 합니다. 정해진 대역폭을 여러 신호가 동시에 사용하는 경우와 그 대역폭을 나누어 각 신호마다 고유의 대역폭을 사용하는 경우를 비교하려고 합니다. 채널 본딩을 하는 방법으로 실험을 할 것입니다.

그리고 802.11n 통신에서 스테이션과 클라이언트가 특별한 관계에 있는 경우 통신 효율을 높이는 방법에 대해서도 연구하려고 합니다. 스테이션과 클라이언트가 모두 고정되어 있는 경우, 클라이언트가 스테이션 주위 일정 거리 내에만 분포하는 경우 등을 다루려고 합니다.

마지막으로 802.11n 통신 시 주변과의 간섭 최소화에 대해 연구하려고 합니다. 이 분야는 이미 많은 연구가 되어 있기 때문에 지금까지와는 다른 신선한 방법을 생각해야 할 것 같습니다.

혹시 연구와 관련된 아이디어가 있으시면 댓글로 알려주세요.

이 글에서는 선행 연구 및 논문 검색 사이트를 소개해보려고 합니다.

선행 연구 논문 검색 사이트

요즈음 과제 연구 주제에 대해 생각해보고 있습니다. 먼저 대략적인 연구 방향을 정한 후 좀 더 구체적인 연구 주제를 정하기 위해서는 선행 연구 및 논문들을 조사해야 합니다. 이런 과정에서 내가 진행하려고 하는 연구가 이미 진행된 연구가 아닌지도 확인할 수 있고 새로운 지식을 얻으며 좀 더 다양한 관점에서 연구 주제에 대해 생각해 볼 수도 있습니다.

제가 소개하려고 하는 사이트는 한국학술정보원에서 다양한 연구 결과 및 논문 등을 제공하는 사이트입니다. 주소는 아래입니다.
http://kiss.kstudy.com/

사이트의 첫 화면입니다.

참고로 연구 논문 등의 원문을 읽기 위해서는 로그인을 하셔야 합니다. 대부분의 학교에서는 계정이 있는 것으로 알고 있습니다. 저는 세종과학고등학교 계정으로 접속했습니다.

이제 원하시는 내용을 검색하시면 됩니다.

그럼 위 스크린 샷과 같이 관련 연구 논문들이 검색됩니다.

 

그리고 대부분의 논문은 원본을 보실 수 있습니다.

저는 802.11x 통신 규격의 채널 분배에 대해 연구해보려고 조사하고 있습니다.

고등학교에서 진행할 연구 주제 생각하고 있습니다.

한 학년 동안 장기적으로 연구할 주제를 정하는 것이기 때문에 중학교 때의 연구 주제를 정할 때보다 더 고민이 됩니다. 또 중학교때의 수준보다는 훨씬 높은 수준의 연구를 해야 한다는 부담도 있습니다.

1. 처음에는 중학교 3학년 여름방학때 진행했던 연구 중 케이스 내부의 공기 흐름을 최적화하는 연구를 계속하려고 했습니다. 학교에 풍동 실험기가 있다고 해서 그런 생각을 해 보았는데 풍동 실험기의 규모가 컴퓨터 케이스에 비해 너무 크고 과학적으로 무언가 하기가 여러워 보여 포기했습니다.

일단 컴퓨터나 모바일 기기의 하드웨어 분야에 대해 연구하고 싶습니다. 아니면 데이터 처리 부분도 좋을 것 같습니다. 계속해서 생각해 봐야 할 것 같습니다. 

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.

3. 효율적인 냉각 시스템 구축


3.1. 냉각 팬의 배치에 따른 공기 흐름 분석 실험


3.1.1. 효과적인 공랭 시스템의 구축의 필요성

앞에서 살펴본 것처럼 컴퓨터의 각 부품에서는 다양한 원인에 의해 많은 양의 열이 발생한다. 또한 발열량을 줄이기 위한 노력은 이루어지고 있지만 아직까지는 발열 문제를 근본적으로 해결할 방법을 찾지 못하고 있다. 현재 사용되는 실리콘 베이스에서의 전류의 흐름을 이용한 연산 방식 자체가 발열이 불가피한 방식이기 때문이다. 그러므로 컴퓨터에서 발생한 열을 냉각할 수 있는 시스템의 구축이 필요하다.


현재 컴퓨터에 사용되는 주요 부품들인 CPU와 GPU, RAM 등은 30nm 내외의 매우 미세한 공정으로 제작된다. 또한 부품들은 녹는점이 그리 높지 않는 반도체 원소들로 제작되므로 온도가 70 이상이 되면 수명의 저하가 일어나고 80℃에 이르는 경우 아예 부품이 손상되거나 주위 부품들에까지 악영향을 줄 수 있다. 그러므로 이들 부품들의 냉각은 반드시 필요하다.


현재 컴퓨터의 냉각 방식으로는 주로 공기를 이용한 공랭 방식이 사용되고 있다. 컴퓨터 외부의 찬 공기를 흡입하고 이 공기로 부품의 열을 식힌 후 다시 컴퓨터 내부의 더운 공기를 배출하는 것이 공랭 냉각의 원리이다. 공랭 방식의 가장 큰 장점은 펌프와 호스 및 히트파이프 등 다양한 부품을 필요로 하지 않아 가격이 저렴하다는 점이다. 또한 설치가 쉽고 냉매가 유출될 시의 시스템 손상 등의 안정성 문제도 적다. 다만 공기는 수냉 방식에서 사용되는 여러 냉매에 비해 열용량이 작아 열 배출의 효율성이 떨어지고 흐름을 정확하게 조정할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 앞으로 진행할 실험의 주제는 효율적인 냉각 시스템 구축이다. 단순하게 성능적인 측면을 고려한다면 수냉 방식에 대해 다뤄야 하겠지만 본 연구에서는 효율적 측면에 비중을 두고 있기 때문에 공랭 방식에 대해 다룰 것이다.


잠시 컴퓨터 팬의 배치에 역사에 대해서도 살펴보자. 컴퓨터의 성능이 그리 높지 않았던 2000년대 이전에는 컴퓨터에는 별도의 팬이 필요가 없었다. 자연적인 대류 현상으로도 충분히 냉각이 가능했기 때문이다. 단 파워 서플라이에는 팬이 장착되기도 했다. CPU 냉각 팬은 1990년대 후반에 대부분의 컴퓨터에 장착되기 시작했다. 케이스에 냉각 팬이 장착된 것은 2000년대에 들어서다. 먼저 케이스 후면에 배출 팬이 장착되었고 다음에 케이스 전면에 흡입 팬이 장착되었다. 그리고 경우에 따라 CPU 위의 측면 흡입 팬도 장착되기 시작했으며 상단 배출 팬도 생겨났다. 최근에는 일반적인 케이스에는 3개 내외의 팬이 기본적으로 장착된다. 이처럼 케이스에 3개 내외의 냉각 팬이 장착되기 때문에 케이스 냉각 팬의 배치에 따라 냉각 효과가 달라질 수 있다. 그래서 본 실험에서는 케이스 팬의 수와 배치를 11개 경우로 나누어 각각의 경우에서의 공기 흐름을 분석해 가장 효율적인 케이스 냉각 팬의 배치를 예상하고 나아가 가장 효율적인 냉각 시스템 구축에 대해 알아보려고 한다.


3.1.2. 실험 조건


위 사진과 같이 실험은 일반 미들타워 케이스보다 조금 큰 220mm×460mm×460mm의 알루미늄 프로파일 내부에 실제 컴퓨터와 비슷한 환경을 구현했다. 케이스 내부는 공기 흐름을 효과적으로 관찰하기 위해 검은 색으로 도색했으며 상자를 이용해 CPU, 그래픽카드, RAM, HDD, 파워 서플라이 등 주요 부품의 모형을 만들어 배치했다. 그리고 알루미늄 프로파일의 6면 중 4면은 공기 통로와 팬을 장착할 구멍의 가공을 쉽게 하기 위해 하드 보드지로 막았으며 옆면인 케이스 내부의 공기 흐름을 관찰하기 위해 PC판으로 막았다. 팬은 80mm 제품을 사용했으며 공기의 흐름을 보다 효과적으로 관찰하기 위해 가변 저항을 이용해 회전 속도를 일반적인 경우보다 조금 느리게 유지했다.



실험은 위 사진과 같이 케이스 내부에 향 연기를 모은 후 실험할 팬을 가동시키는 방식으로 진행했다. 향 연기를 좀 더 잘 관찰하기 위해 주변 불을 끄고 측면에서 차례로 빛을 비춰주기도 했다. 처음에는 모기향을 사용하여 보았지만 연기가 쉽게 흩어져 관찰이 쉽지 않았기 때문에 향 한 묶음 전체에 불을 붙여 연기를 피웠다.


효과적인 공랭을 위해서는 먼저 냉각 팬이 케이스 외부와 내부의 공기를 효과적으로 순환시켜야 하며 컴퓨터 케이스 내부로 들어간 공기가 효율적으로 순환을 해야 한다. 즉 공기의 흐름이 원활해 흡입되고 배출되는 공기의 양이 많으면서도 CPU와 그래픽카드 등 발열이 큰 주요 부품들을 효과적으로 식혀 줄 수 있어야 한다. 때문에 공기의 흐름에 따른 효율성은 다음과 같은 기준으로 판단했다.


먼저 케이스 내부로 들어오는 찬 공기의 양과 케이스의 외부로 빠져나가는 더운 공기의 양이 많아야 한다. 즉 케이스 내부와 외부 사이에 공기 순환이 커야 한다는 것이다. 또한 CPU와 그래픽카드, RAM 및 메인보드 칩셋이 위치한 케이스 후면 상단부로 공기가 많이 흘러야 한다. 그리고 후면 상단부에서 층류가 흐르는 것보다는 난류가 흐르는 것이 열전달 효과가 크기 때문에 난류가 흘러야 한다. 단 주요 부품들이 없는 곳에서 난류가 흐를 경우 공기의 흐름이 약해지므로 다른 곳에서 난류가 흘러서는 안 된다.


이 실험은 총 11개 경우 나누어 진행했다. 1번~4번 실험은 팬을 1개 가동했을 때의 공기 통로의 배치에 따른 공기 흐름을 분석했고 5번~9번 실험은 팬을 2개 가동했을 때의 공기 흐름을 비교해 보았다. 마지막으로 10번~11번 실험은 팬을 3개 가동했을 때의 공기 흐름을 살펴보았다.



위 그림은 케이스 내부의 모식도이다. 앞으로 각 실험에서 관찰한 공기의 흐름을 위 모식도에 표시할 것이다. 위에서부터 왼쪽으로 CPU, RAM 2개, 그래픽 카드, 하드디스크, 파워 서플라이이다. 배출 팬은 보라색 타원, 흡입 팬은 주황색 타원, 공기 통로는 초록색 타원, 공기의 흐름은 빨간색 화살표로 표시할 것이다. 공기 흐름의 세기는 화살표의 뚜께로 구분한다.


실제 실험에서는 공기 흐름이 명확하게 보이지 않았고 팬을 장착하지 않은 구멍을 완벽하게 막지 못해 약간의 공기 흐름이 생겨 앞으로 볼 모식도처럼 공기 흐름이 매끄럽지는 않았지만 그런 오차는 무시하기로 했다. 또한 CPU, 그래픽카드 및 파워 서플라이의 팬은 현실적으로 구동할 수가 없었기 떄문에 무시하기로 했다.


3.1.3. 실험

1번~4번 실험에서는 후면 상단 배출 팬 1개를 구동했을 때의 공기 통로 배치에 따른 공기 흐름을 비교했다.


1번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

먼저 후면 상단에 배출 팬을 장착하고 공기 통로가 없는 상태에서 실험했다. 후면 배출 팬을 구동했지만 공기 통로가 없는 경우에는 적은 양의 공기가 케이스 후면 상단부에서 순환했다. 외부에서 공기가 들어올 수 없기 때문에 실제로 배출되는 공기의 양도 적은 것으로 보였고 따라서 냉각 효과도 떨어질 것으로 보인다.


2번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

두 번째 경우는 후면 상단에 배출 팬을 장착하고 케이스 전면 하단에 공기 통로를 뚫은 경우이다. 이 경우에는 정면 하단의 공기 통로에서 후면 상단의 배출 팬으로 1번 실험보다는 비교적 많은 양의 공기가 흘렀다. 전면의 공기 통로로 흘러 들어간 공기가 케이스 내부를 대각선으로 가로질러 후면의 배출 팬으로 나갔다. 단 전면으로 흘러 들어간 공기가 하드디스크와 부딪혀 불필요한 난류가 있었다.


3번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 후면 하단에 공기 통로를 뚫어 보았다. 팬과 공기 통로가 같은 면에 있다 보니 공기가 후면 하단의 공기 통로로 들어와 거의 곧바로 후면 배출 팬으로 나갔다.


4번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

마지막으로 2번 실험과 3번 실험에서 뚫었던 정면과 후면 공기 통로를 모두 뚫었을 경우이다. 당연히 공기 통로가 많으니 냉각 효과는 비교적 뛰어날 것이다. 전체적인 공기 흐름은 역시 2번과 3번 실험과 비슷했다. 특이한 점이라면 2번 실험에서의 공기 흐름과 3번 실험에서의 공기 흐름이 만나는 지점에서 새로운 공기 흐름이 생겨난다는 점이었다.


5번~9번 실험은 앞에서 사용한 후면 상단 배출 팬을 기본으로 해 팬 1개를 더 추가했다.


5번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

모식도 상에서는 전면 팬과 공기 통로가 겹친 것처럼 보이나 실제로는 따로 구멍을 뚫었다. 이번 실험은 4번 실험과 거의 비슷한 공기 흐름이 나타낼 것으로 예상했지만 실제로는 케이스 후면 상단부에서 순환이 일어났다. 또한 순환이 일어나며 주위 주요 부품들과 간섭이 일어나 난류도 많이 형성됐다. 단 이 난류 때문에 케이스 내부와 외부 사이의 공기 흐름이 조금 약해진 것 같다. 하지만 냉각 효과가 매우 클 것으로 생각된다.


6번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 전면 상단에 흡입 팬을 배치했다. 2번 실험에서의 공기 흐름은 거의 그대로 나타났다. 주목할 점은 후면과 정면 상단에서 각각 배출과 흡입 팬이 구동되면서 꽤 강한 공기 흐름이 나타났다. 이 공기 흐름이 주요 부품들을 지나가므로 냉각 효과는 양호할 것으로 생각된다.


7번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

7번째 배치는 상단 앞쪽에도 흡입 팬을 배치해 보는 것이다. 충분히 예상이 되는 결과였다. 하드디스크와 부딪혀 큰 난류가 생기며 전체적인 공기 흐름을 모두 방해했다. 냉각 효과가 거의 없을 것으로 예상된다.


8번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 상단 뒤쪽에 팬을 배치했다. 지금까지는 2번째 팬을 모두 흡입으로 설정했으나 이번 경우는 특별히 배출로 설정했다. 일반적인 컴퓨터 케이스에 배치되는 뒤쪽 후면 팬은 모두 배출 팬이기 때문이다. 공기의 흐름에 대해 생각해보아도 흡입으로 할 경우 상단 뒤쪽으로 들어간 공기가 곧바로 후면 상단으로 나오기 때문의 냉각 효과가 거의 없을 것으로 생각되기 때문에 배출 팬을 배치했다.


예상 외로 공기의 흐름은 좋아 보였다. 주요 부품을 사이에 두고 2개의 배출 팬을 구동하니 주요 부품을 대각선으로 지나는 매우 강한 공기 흐름이 생겼다. 냉각 효과도 기대해 볼 만하다.


9번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 측면 CPU 위 부분에 흡입 팬을 배치했다. 측면에 팬을 배치하니 전체적인 공기 흐름이 크게 달라졌다. 특히 주요 부품이 위치하는 부분에 여러 방향의 바람이 많이 흘러 난류가 많이 생겨 냉각 효과가 꽤 좋을 것 같다.


마지막으로 10번과 11번 실험에서는 3개의 팬을 구동 지금까지의 예상 결과를 종합해 가장 효율적이라고 예상되는 2가지 경우로 배치해 공기 흐름을 분석했다.


10번~11번 실험은 3개의 팬을 사용하였다.


10번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬, 윗면 뒤쪽 배출 팬을 사용한 경우이다. 케이스를 대각선으로 가로지르는 강한 공기 흐름이 나타났다. 특히 주요 부품이 위치한 케이스 좌측 상단에서는 매우 강한 공기의 흐름이 나타나 냉각 효과가 강할 것으로 예상됐다.


11번 실험에서의 팬 배치 및 공기 흐름 :

이번에는 후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬, 측면 흡입 팬을 구동한 경우이다. 9번 실험에서처럼 주요 부품 주위에 난류가 많이 흘렀다. 단 정면 하단에서 들어온 공기와 측면에서 들어온 공기가 서로 상쇄되는 부분이 있어 아쉬웠다.


3.1.4. 실험 결론


여러 가지 경우로 나누어 팬을 배치하고 구동했을 때의 공기 흐름을 분석하며 내린 결론은 다음과 같다.


후면 상단 배출 팬을 1개 구동했을 경우 공기 통로가 후면 상단과 후면 하단에 공기 통로를 배치한 4번 실험에서 냉각 효과가 가장 좋을 것으로 예상했다.


후면 상단 배출 팬을 기본으로 해 팬을 1개 추가했을 경우에는 전면 하단 흡입 팬을 배치한 5번 실험의 배치가 가장 효율적일 것으로 생각됐다. 또한 각각 윗면 뒤쪽 배출 팬과 측면 흡입 팬을 배치한 8번과 9번 실험에서의 배치도 효율적일 것으로 예상했다.


팬이 3개일 경우에는 후면 상단 배출 팬과 전면 하단 흡입 팬 그리고 윗면 뒤쪽 배출 팬을 구동한 10번 실험의 배치가 가장 효율적일 것으로 생각됐다.

  1. 정재민 2012.03.03 12:31 신고

    도움이 많이 되었습니다. 잘 보고 갑니다. 고맙습니다. ^^

  2. 2012.07.03 07:40

    비밀댓글입니다

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.

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