글: Jeremy Cook
컴퓨터는 전기 에너지가 있어야 작동할 수 있습니다. CPU 수준에서 이 입력 에너지의 대부분은 1과 0을 휘저으면서 열로 전환됩니다. 따라서 엔지니어는 과부하 상태에서 장비가 "익는" 것을 피하기 위해 컴퓨터를 설계할 때 열 문제와 CPU 냉각을 고려해야 합니다. 개념은 간단합니다. 사용량이 급증하는 상황에 유의하여 프로세서에서 발생하는 열 에너지보다 많은 열을 방출시키면 됩니다.
이 문서에서는 사용 가능한 CPU 냉각 유형을 살펴보며, 매우 단순하거나 존재하지 않는 것부터 실제 시나리오에 거의 적용되지 않는 극단적인 것까지 둘러봅니다.
추가된 CPU 냉각 없음: (아마도) 괜찮음
간단한 장치를 사용하는 대다수의 사례에서는 CPU 냉각이 설계의 일부가 아닙니다. 에너지 효율적인 ATTiny 시리즈 마이크로컨트롤러를 생각해 보십시오. 전력 요구량이 적기 때문에 생성된 극소량의 열이 쉽게 소산됩니다. Raspberry Pi 단일 보드 컴퓨터(SBC)와 같은 다른 사례에서는 열 축적이 상당한 문제가 될 수 있습니다. 그러나 프로세서로 지나치게 집약적인 작업을 수행하지 않는 한 일반적으로 문제 없이 열을 충분히 발산할 수 있습니다. CPU 열 축적 및 소산은 누진되기 때문에 활동이 단시간 급증한다고 해서 반드시 열 경고가 울리지는 않지만 열 부하가 지속되면 문제가 될 수 있습니다.
Raspberry Pi의 사례에서 CPU가 과열되면 CPU 작동이 압박을 받아 느려지므로 (아마도) 하드웨어가 영구적으로 손상되는 일은 없습니다. 달리 말하면 냉각을 추가했을 때 쉽게 확보할 수 있는 성능을 놓치게 됩니다.
기본 CPU 냉각: 열 흡수원과 팬
가장 기본적인 냉각 방법은 열 페이스트 또는 열 테이프(총칭 TIM(열 인터페이스 재료))를 사용하여 프로세서에 직접 열 흡수원을 적용하는 것입니다. 흔히 열 도전율이 높은 구리 또는 알루미늄으로 제작하는 열 흡수원은 기본적으로 열이 프로세서를 빠져나갈 수 있도록 하는 표면 영역을 늘려 줍니다.
열 교환기 역할에서 열 도전율은 구리(~400W/m*k)가 알루미늄(~200W/m*k)보다 우수합니다. 그러나 구리는 알루미늄보다 비싸고 무겁습니다. 열 교환기를 구매할 때 사용자가 직접 재료를 선택하지 않을 수도 있겠지만, 유의해야 할 부분입니다.
열 소산을 한층 더 향상하기 위해 CPU 냉각 팬을 사용하여 열 흡수원 위에 능동적으로 송풍하면 냉각된 공기가 핀 위에서 지속적으로 순환하기 때문에 성능이 대폭 개선될 수 있습니다. 여기서 단점은 팬 자체에 에너지와 컨트롤러(계속 작동하는 경우는 제외)가 필요하고 소음이 발생한다는 것입니다. 팬은 또한 시간이 지나면서 마모될 수 있고, 이처럼 공기가 지속적으로 순환되면 시스템 내부에 먼지가 쌓일 수 있습니다.
향상된 CPU 냉각: 열 파이프 및 진공 챔버(팬 포함)
단단한 금속 열 흡수원에서 한 단계 더 나아간 방법은 열 파이프 및/또는 진공 챔버를 사용하는 것입니다. 두 기기 모두 열 유체(주로 단순히 물)를 사용하는데, 이 유체는 프로세서에 의해 가열되면 증발하여 열을 흡수합니다. 열 파이프의 경우 증발된 유체는 파이프를 통해 온도가 더 낮은 영역으로 열 에너지를 전달합니다. 그런 다음 응축되어(열 에너지 방출), 모세관 작용으로 심지 표면을 통해 온도가 높은 CPU 영역으로 돌아갑니다.
진공 챔버는 열 파이프와 동일한 증발/응축 주기를 이용하여 작동합니다. 진공 챔버는 긴(흔히 구부러진) 튜브 형태 대신 일반적으로 프로세서 바로 위에 놓이는 평평한 사각형 형태를 취합니다. 얇고 진공화된 챔버 내부에서 유체가 증발하고 응축되어 한 영역에서 다른 영역으로 열이 확산됩니다. 열 흡수원, 팬 및/또는 열 파이프를 진공 챔버와 함께 사용하여 냉각 설정을 향상할 수 있습니다.
이러한 방법은 대부분의 컴퓨터 냉각 필요를 충족하지만 더 효과적인 방법이 필요할 수 있습니다. 오늘날 사용되는 더 극한의 CPU 냉각 방법으로는 세 가지가 있습니다.
극한의 CPU 냉각 #1: 액체 열 전달 및 열 펌프
CPU 물 냉각은 내연 차량의 냉각 시스템과 비슷한 방식으로 작동합니다. 즉, 냉각 유체(물)를 온도가 높은 처리장치에서 외부 복사 냉각 장치로 순환시킵니다. 대부분의 방법이 그러하듯 이러한 물 CPU 냉각도 다른 방법(예: 팬, 핀)과 결합하여 효율을 극대화할 수 있습니다.
물 냉각은 고급 게임 장비 및 맞춤형 PC에서 찾아볼 수 있습니다. 유체 열 전달을 더 극한으로 활용하려면 기계적 측면에서 냉장고와 비슷한 상변화 장치(열 펌프)를 구현할 수 있습니다. 이렇게 하면 거의 모든 프로세서의 열을 쉽게 완화할 수 있지만, CPU 냉각에서는 매우 드문 방식이기 때문에 본 문서의 작성 시점을 기준으로 비용이 많이 드는 프로토타입 및/또는 데모 명제에 가깝습니다.
극한의 CPU 냉각 #2: 액체 침수 냉각
또 다른 옵션은 전자 기기를 냉각 유체(일반적으로 미네랄 오일)에 담그는 것입니다. 미네랄 오일은 열 에너지를 흡수하여 부품을 낮은 온도로 유지할 수 있지만, CPU 부하가 길어질 때 열을 얼마나 잘 소산시키는지는 여러 요인에 따라 달라집니다. 미네랄 오일에는 유지 관리할 팬은 없지만 결과적으로 증발 및/또는 오염이 발생합니다. 폭발하여 바닥으로 흐르거나 케이블을 타고 흘러나올 가능성이 있는 대량의 액체가 항상 존재한다는 점 또한 문제가 될 수 있습니다.
가정용 PC 또는 서버에는 직접 액체 냉각이 비효율적일 수 있지만 컴퓨팅 기준에서는 실제로 매우 오래된 아이디어입니다. CRAY-2 슈퍼컴퓨터(1985년 출시 당시 세계에서 가장 빠른 컴퓨터)는 직접 액체 냉각을 성공적으로 사용하여 매우 강력한(당시 기준) 처리장치를 비교적 작은 크기인 53인치(135cm) 직경에 수용할 수 있었습니다. 프로세서에 의해 가열된 액체는 외부 "폭포" 냉각 장치로 전달되었기 때문에 "거품(버블)"이라는 별명이 유래했다고 알려져 있습니다.
극한의 CPU 냉각 #3: 저온 위치
또 하나의 극한 솔루션은 바로 프로세서를 지리상 고온 환경에서 저온 환경으로 이동하는 것입니다. 소비자 수준에서는 개인 서버를 추운 지하실에 보관하는 정도가 아니면 거의 의미가 없지만, 대기업의 경우 고려할 가치가 있습니다. Meta(당시 Facebook)는 2013년 북극권에서 70마일 떨어진 스웨덴 룰레오에 북극 인근 서버 팜을 열었습니다. 발표에 따르면 이곳은 기존 데이터 센터보다 사용 전력이 거의 40% 적습니다. 이점이 상당한 듯하지만, 10년이 지난 지금도 인프라 및 연결성 문제로 인해 한대 기후 컴퓨팅이 급증할 것으로 보이지는 않습니다. 데이터 센터 수준 서버 냉각에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오.
프로세서 냉각: 항상 필요함(그러나 흔히 자연적으로 발생함)
결과적으로, 많은 프로세서는 열 흡수원 없이도 문제 없이 작동할 것입니다. 약간의 추가 열식 질량을 확보하기 위해 컴퓨팅 기기에 동전을 부착하는 등, 그간 사람들은 창의적인 솔루션을 생각해 내곤 했습니다. 다만 필요한 성능을 얻으려면 열 방출에 대해 고민할 수밖에 없는 경우가 많습니다. 오버클록 상태의 프로세서를 떠올려 보십시오.
응용 분야가 무엇이든 열이 미치는 영향에 대해 잊어서는 안 됩니다. 필요한 경우 이용 가능한 다양한 냉각 방법이 마련되어 있으며, 설계 단계로 되돌아가 각종 옵션을 고려해 보는 것이 유용할 수 있습니다.
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