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.

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.!

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