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LAPTOPS 101 : 효율적인 노트북 쿨링 솔루션 설계에 대한 이해 (해외 리뷰)

효율적인 노트북 발열 시스템을 설계하고 구현하려면 모든 부품이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 많은 R&D 투자가 필요하며, 시스템 부품도 적절히 선택해야 합니다. 이 글에서는 발열 설계의 각 단계와 제조사의 테스트, 발열 설계를 프로토타입화하여 효율성을 극대화하는 방법을 알아보겠습니다. 해당 과정을 원활히 설명하기 위해 모든 코어를 5GHz 오버클럭할 수 있는 MSI의 주력 모델 GT76을 예로 들겠습니다.



발열 설계를 통해 쓰로틀링 현상 없이 노트북이 장시간 최상의 성능을 발휘해야 합니다.

소개

이제 여러분은 슬림하고 강력한 성능의 노트북을 손에 쥐게 되었고, 이론상 게임 플레이에 필요한 모든 것이 제공되었습니다. 게임 세팅 후, 마지막 생존자가 되길 기대하며 게임을 시작합니다. 게임 시작 30 분 만에 프레임이 빠르게 떨어지고 노트북이 뜨거운 것을 확인할 수 있습니다. 결국 스펙이 실제 성능과 일치하지는 않는 것 같습니다. 이는 부적절한 쿨링으로 인해 쓰로틀링(speed throttling) 현상이 발생한 것입니다.

노트북 쿨링 시스템은 매우 중요합니다. Notebookcheck의 독자분들은 주요 부품 및 쓰로틀링의 위험과 관련하여, 노트북 쿨링 시스템의 적합 평가를 강조한 여러 기사를 알고 계실 겁니다. 부적절한 쿨링은 엄청난 성능 손실을 초래할 수 있으며, 결과적으로 성능이 떨어진 노트북에 더 많은 비용을 지불하게 됩니다.
 
노트북 구매 시 제조사(OEM)가 쿨링 메커니즘을 어떻게 구현하는지 이해하는 것은 높은 성능을 추론할 수 있는 한 가지 방법입니다. 노트북의 경우 쿨링을 위한 헤드룸이 데스크탑 PC보다 훨씬 적기 때문에, 제조사는 데스크탑 수준의 인텔 코어 i9-9980HK 및 엔비디아 지포스 RTX 2080같은 요소를 큰 지연 현상 없이(without much of a hiccup) 유지하는 혁신적인 방법을 고안했습니다. 
 
이 기사에서는 최근 제조사의 일부 개선 사항과 이 프로세스에 사용되는 부품 및 프로토 타입 선택 등 효율적인 쿨링 솔루션 설계에 필요한 사항을 살펴보겠습니다. MSI GT76 노트북을 8코어에서 5GHz로 작동하는 법을 알고 싶으시다면, 아래의 글을 읽어보시길 바랍니다.

훌륭한 발열 솔루션 설계

CPU, GPU와 VRM같은 주요 부품의 발열 배출을 비롯한 최적의 발열 솔루션의 설계는 결코 쉬운 일이 아닙니다. 칩이 얼마나 많은 열을 발생시키며, 특정 노트북 폼팩터에 얼마나 잘 맞을 수 있는지 이해하는 데는 많은 요소 및 테스트가 필요합니다.
 
노트북의 쿨링 솔루션 설계는 R & D 프로세스의 중요한 부분이며, 일반적으로 아래와 같습니다. 각 제조사는 성능을 극대화하기 위해 열을 설계하는 독자적인 방식을 갖고 있지만, 열 블록, 히트 파이프, 히트 스프레더, 팬 사용과 관련된 것은 거의 모든 제조업체에 동일하게 적용됩니다


MSI GP75 Leopard 9SD의 쿨링 시스템

오래된 써멀 블록(thermal block)의 "칩"

MSI GP75 Leopard의 내부를 살펴봅시다. 이 제품은 1080p 게임을 위한 높은 성능의 노트북이며, 인텔 코어 i7-9750H와 엔비디아 지포스 GTX 1660 Ti로 구동됩니다. 위의 이미지를 통해 CPU 및 GPU에서 팬 쪽으로 이동하는 여러 개의 구리 히트 파이프를 볼 수 있습니다. 이 구리 파이프를 자세히 보면 두 프로세서에 존재하는 구리 블록에서 멀어지도록 하고 있습니다. 이 구리 블록 또는 써멀 블록은 써멀 페이스트(thermal paste)를 통해 직접 CPU/GPU와 접촉합니다. 따라서 열의 전달은 CPU/GPU> 페이스트> 블록> 히트 파이프로 진행됩니다. 이 방법은 효율적인 열 배출을 위해 열을 칩에서 써멀 블록으로 빨리 전달하기 위한 것입니다. 이것이 왜 중요할까요?




인텔 코어 i9-8950HK가 탑재된 2018 애플 맥북 프로는 부적절한 냉각으로 인한 쓰로틀링 문제가 있었습니다.
(출처 : Dave Lee on YouTube)

세부적으로 깊이 들어가지 않고, 각 칩은 정격 TDP에서 작동 될 때 일정량의 열을 발산하도록 정격화됩니다. 칩 제조업체 간 TDP 계산 방법에 대한 합의는 없지만,  제조사는 자체적인 섀시 테스트를 통해 섀시 크기 내에 TDP를 얼마나 적용할 수 있는지 확인합니다. 

열이 칩에서 적절하게 배출되지 않으면 칩 주변의 열 영역이 증가하고, 손상 방지를 위해 더 낮은 주파수에서 작동하도록 하여 성능에 영향을 미치게 됩니다. 예를 들어 인텔 코어 i9를 탑재한 2018 애플 맥북 프로는 열 설계가 적합하지 않아 초기에 정격 부스트 주파수를 달성할 수 없었습니다.

또한, 과도한 열은 칩이 클럭 사이클에서 더 낮은 효율로 작동하고 필요한 주파수에 도달하는 것처럼 보이지만, 전체 성능은 저하되는 것을 의미합니다. 이때 오버 클러킹 기능도 심각하게 방해받게 됩니다.

 

일반 vs. MSI GT76에서 사용되는 CNC 연마 구리 블록.
(이미지 제공 : MSI)

따라서, 칩에서 열을 효율적으로 그리고 가능한 빨리 배출시키는 것이 중요합니다. 구리는 높은 전도성 때문에 써멀 블록에 선호됩니다. 대부분의 구리 블록은 표면이 거칠기 때문에 미세한 수준에서는 기계의 그리스(the grease)와 완전히 접촉할 수 없습니다. 이러한 문제를 피하고 더 효율적인 전도성을 제공하기 위해 MSI GT76 같은 강력한 게이밍 노트북은 CNC 연마 구리 블록을 사용하여 표면 접촉 면적을 최대화하고, 프로세서의 열을 효과적으로 방출합니다.

좋은 써멀은 여전히 "히트 파이프"의 꿈입니다



히트 파이트 작동 원리 (출처: Wikipedia)

열을 칩에서 효율적으로 제거했기 때문에 히트 파이프를 통해 이 열을 CPU/GPU에서 멀리 떨어뜨려야 합니다. 히트 파이프는 증발기 섹션과 응축기 섹션으로 구성되며, 이는 기술적으로 2단계 열 전달 시스템이라고 합니다. 히트 파이프에서 액체 (보통 물)는 써멀 블록에서 열을 흡수하여 파이프 구멍을 따라 더 낮은 온도 영역 (응축기 섹션)으로 이동하는 증기 (증발기 섹션)로 변환됩니다. 여기서 증기는 액체로 응축되어 심지에 의해 재흡수되고, 열이 외부로 방출되는 동안 모세관에 의해 다시 원래 위치로 흐르게 됩니다.




열 전달 회로도 (출처 : Calyos)

예시로 삽입된 그림을 참고해주세요. 히트 파이프의 액체가 증기로 가열되어 열 전달 영역으로 이동하고, 다시 액체로 응축되는 것을 볼 수 있습니다. "Vaporization"이라고 표시된 부분은 위에서 설명한 써멀 블록에 비유 할 수 있고, "Heat Transfer"은 곧 보시게 될 히트 스프레더 핀과 유사합니다. 열이 열 블록에서 히트 스프레더 핀으로 전달되어 팬을 통해 배출되는 방식입니다.



금속 소결 히트 파이프의 단면. (출처 : Frosty Tech)

히트 파이프는 일반적으로 구리 또는 알루미늄으로 만들어지며 내부의 심지 구조는 홈, 철망 (포장된 스크린, wrapped screen), 소결 또는 섬유로 구성됩니다. 이 중 소결 파이프는 제조 비용이 가장 많이 들지만, 심지에서 벽으로 혹은 그 반대의 경우에 열 전도성이 우수합니다.
 
심지 구조는 올바른 히트 파이프 선택을 위한 주요 기준이지만, 효율적인 히트 파이프 성능을 위해 고려해야 할 다른 요소들도 있습니다. 첫 번째는 히트 파이프의 개수입니다. 히트 파이프가 많을수록 열 블록에서 파이프로 열 전달이 잘 됩니다. 그러나 파이프 수를 결정하는 것은 블록의 전체 열 출력과 사용할 수 있는 표면적에 따라 달라집니다.

파이프의 길이와 직경은 구멍 내의 증기 이동 속도에 직접적인 영향을 줍니다. 직경이 클수록 많은 증기량을 전달할 수 있습니다. 또한, 파이프의 길이가 너무 길어서는 안 됩니다. 짧은 파이프는 긴 파이프보다 더 많은 열을 전달할 수 있고, 모세관의 한계도 더 높습니다. 이는 유체가 응축기에서 증발기로 되돌아오는 속도를 말합니다.




MSI GT76의 CPU 및 GPU 개별 히트 파이프 설계

많은 노트북이 CPU와 GPU에 동일한 히트 파이프를 작동시키곤 합니다. 이 경우 비용은 절약되지만, CPU와 GPU 사이의 파이프가 상대적으로 냉각되어 열 전달 효율을 저해하는 액체가 빨리 응축될 수 있습니다. 따라서 MSI GT76 같은 고성능 게이밍 노트북은 열 전달의 극대화를 위해 CPU와 GPU의 자체적인 히트 파이프와 팬 조립 장치가 있습니다.
 
노트북은 원통형 히트 파이프를 수용할 수 있는 공간이 충분하지 않기 때문에 열 시스템 사용 전에 파이프를 평평하게 만들어야 합니다. 파이프가 균일하지 않거나 과하게 평평하면 심지 내에서 액체 이동을 방해할 때 더 복잡해질 수 있으며, 파이프를  타이트하게 구부리는 것도 좋지 않습니다. 하지만 구부린 반경이 파이프 직경의 3배인 경우, 성능에 영향을 미치지 않습니다.

향상된 공기의 흐름은 노트북의 쿨링을 보장합니다.



일반적인 노트북에서 시원한 공기 (파란 화살표)가 들어오는 입구와 뜨거운 공기 (빨간 화살표)의 출구를 보여주는 개략도. (출처 : Inyes.org)

프로세서에서 열을 성공적으로 이동시키는 것은 작업의 절반 수준에 불과합니다. 섀시에서 열을 완전히 제거하는 것도 동일하게 어려운 작업입니다. 이것은 히트 스프레더와 팬이 들어오는 곳입니다. 기본적으로 히트 스프레더는 히트 파이프에서 나오는 열의 표면적을 증가시키는 반면, 팬은 외부에서 시원한 공기를 흡입하여 열을 제거합니다.
 



일반적인 노트북 팬의 조립 장치와 열 블록, 히트 파이프, 히트 스프레더 (출처 : Any PC Part 이미지 일부 수정)

팬과 히트 스프레더를 결정하는 것은 작업에 적합한 부품을 선택하는 것 이상으로 중요합니다. 팬은 블레이드 수와 블레이드 간격 사이의 균형을 유지해야 합니다. 작은 공간에 너무 많은 블레이드가 밀집하면 공기가 충분히 배출되지 않습니다. 동시에, 넉넉한 공간을 위해 블레이드 수가 적어지면 효율성이 떨어집니다. 그렇다면 최상의 냉각을 위한 팬 구조는 어떻게 결정될까요?



MSI GT76의 히트 스프레더는 핀 표면적이 넓으며, 추가적인 팬이 있습니다

시뮬레이션 소프트웨어에 들어가십시오. 많은 제조사는 산업 표준 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 특정 섀시의 공기 흐름을 공정하게 평가할 수 있습니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 주어진 쿨링의 요구사항을 위해 가장 빠른 팬 (아마 가장 시끄러운) 대신 가장 적합한 팬 조립 장치를 확인합니다.

시뮬레이션 소프트웨어는 공기의 흐름이 섀시 내부와 외부로 향하는 방식, 섀시 내부에서 사용할 수 있는 공간, 팬 디자인 (CFM)에 의해 생성된 공기량, 히트 스프레더 핀의 표면적 등 많은 특성을 고려합니다. 이 소프트웨어는 다양한 부하 시뮬레이션에서 섀시 내부의 온도 분포를 예측할 수 있습니다. 제조사는 이를 통해 쿨링 체계를 이해하고 개선하여 효율성을 극대화 할 수 있습니다.

아래의 시뮬레이션 테스트 비디오를 통해 공기 흐름에 대한 시뮬레이션이 쿨링의 결과를 이해하는 데 어떻게 도움이 되는지 알 수 있습니다. 특별한 샘플 설계로 뜨거운 공기를 흡입하여 더 높은 온도를 발생시키는지를 확인할 수 있습니다.



오른쪽에서 필요한 변경을 진행한 후, 팬이 모든 열기를 밀어내어 더욱 균일한 온도 분포를 얻는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션을 사용하면 프로토타입 단계에서 냉각 설계를 변경할 수 있습니다. 또한, 물리적으로 식별할 수 없는 문제를 감지하는 데도 도움이 됩니다.



이제 MSI GT76 노트북의 예를 통해 모든 기능이 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. GT76의 목표는 인텔 코어 i9-9900K의 모든 코어에서 5GHz로 오래 지속하는 것입니다. 사진에서 볼 수 있듯 GT76의 쿨링 시스템은 히트 파이프 11개, CNC 가공 구리 블록 2개, 향상된 히트 스프레더와 쿼드팬 설계가 특징입니다. 히트 스프레더는 노트북 전체 길이에 걸쳐 있으며, 4개의 팬이 있기 때문에 1개 또는 2개의 코너 대신 후면 전체에서 열을 방출할 수 있습니다.
 


GT76은 섀시 전체를 따라 열을 방출할 수 있습니다.

MSI는 광범위한 시뮬레이션으로 새로운 공기 흐름의 시스템을 설계하는 데 도움이 됐다고 말했습니다. 다른 팬의 42.6 CFM(분당 풍량)과 비교했을 때, GT76의 팬은 96 CFM의 공기를 밀어내 경쟁 제품에 비해 2.25배 향상된 공기 흐름을 달성합니다. 새로운 히트 스프레더의 커진 핀 표면적도 9900K의 쓰로틀링 문제를 방지하는 역할을 합니다. GT76의 CPU 쪽의 핀 표면적은 252,910 mm2 – GT75 Titan (110,045 mm2)의 2.3 배입니다.
  

  
GT76의 팬은 경쟁사보다 125% 더 많은 공기를 밀어낼 수 있습니다

GT76의 핀 표면적은 작년 제품인 GT75보다 130% 상승했습니다.

GT76의 리뷰를 통해 부품이 표준보다 뜨겁다는 것을 확인했지만, 60-minute FurMark 및 Prime95 stress 테스트를 받은 경우에도 쓰로틀링 현상이 일어나지 않았습니다. 또한, Cinebench R15 loop 테스트에서 이상 없이 4.7GHz로 계속 실행되었습니다.
 
 
결론

지금까지 이해하신 바와 같이, 부품이 최상의 성능을 발휘하기 위해 적절한 쿨링 시스템을 설계하는 것은 노트북 R&D의 주요 목표입니다. 섀시에서 공기 흐름의 발생을  계획하는 것부터 올바른 소재 선택과 시뮬레이션 테스트에 이르기까지, 다양한 측면에서 성능 저하 없이 게임 및 작업을 진행하기 위해 중요한 역할을 합니다.
 
쿨링의 하드웨어 측면에 대해 살펴보았지만, 시스템이 열의 포락선을 감지하고 그에 따라 조절될 수 있도록 많은 소프트웨어를 최적화해야 합니다. 노트북 쿨링 솔루션 설계의 입문 내용을 통해 노트북 구매에 중요한 측면을 이해하는 데 도움이 되었기를 바랍니다.