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.

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