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.



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.

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