칩이 더 빠르고 강력해질수록 전력 소모량도 함께 증가합니다. 안타깝게도 소비 전력이 늘어나면 발생하는 열 역시 그에 비례해 상승하죠. 칩 온도가 지나치게 높아지면 과열로 손상되기 전에 스스로 성능을 낮추는 '써멀 스로틀링(thermal throttling)' 현상이 나타납니다.
그렇다면 GPU와 CPU 제조사들은 어떻게 열을 잡고 있을까요? 새로운 실리콘의 성능을 최대한 끌어내기 위해 어떤 기술을 사용하고 있을까요? 오늘은 PC 제조업체들이 활용하는 다양한 냉각 기술을 살펴보며, 컴퓨터의 잠재력을 최대치로 끌어올리는 방법을 알아보겠습니다.
데스크톱 성능 극대화하기
압도적인 성능을 원하는 컴퓨터 애호가들은 대부분 데스크톱 PC를 선택합니다. 케이스가 공간과 휴대성에 크게 구애받지 않기 때문입니다. 물론 소형·휴대용으로 설계된 데스크톱도 있지만, 대부분의 제품은 넉넉한 공간과 원활한 공기 흐름을 살려 대형·복잡한 냉각 시스템 장착이 가능합니다.
팬과 히트싱크
고성능 칩이 수백 와트를 소모하기 훨씬 이전부터 거의 모든 컴퓨터는 팬과 히트싱크로 시스템을 식혀왔습니다. 언뜻 보면 히트싱크가 프로세서에 직접 붙어 있는 것처럼 보이지만, 실제로는 두 표면 사이에 얇은 서멀 페이스트(열전도 그리스) 층이 있어 칩에서 발생한 열을 효율적으로 전달합니다. 이후 팬이 회전하며 공기를 히트싱크 핀 사이로 통과시켜 히트싱크를 식히고, 식힌 히트싱크가 다시 프로세서를 식히는 원리입니다.
수랭이 고성능·오버클럭 환경에서 꾸준히 인기를 얻고 있지만, 오늘날에도 대다수 시스템은 여전히 팬과 히트싱크 조합을 사용합니다. 가격이 저렴하고 설치가 간편할 뿐 아니라, 팬 고장 시 민감한 전자 부품이 손상될 위험이 없기 때문입니다.
수랭(액체 냉각)
이름 그대로 액체 상태의 냉각수로 PC 온도를 관리하는 방식입니다. 일반적으로 CPU나 GPU에 장착하는 워터블록, 라디에이터, 워터펌프, 냉각수를 순환시키는 파이프나 호스로 구성됩니다. 공랭보다 열을 훨씬 효과적으로 배출할 수 있어 하드웨어의 한계까지 성능을 끌어올릴 때 유리합니다.
수랭 시스템 구축 방법은 두 가지입니다. 첫 번째는 올인원(AIO) 쿨러, 두 번째는 커스텀 루프입니다. AIO는 필요한 부품이 모두 포함되어 있어 설치가 쉽고 누수 걱정이 적지만, 보통 CPU만 냉각할 수 있다는 한계가 있습니다.
CPU와 GPU를 하나의 라디에이터로 함께 식히려면 커스텀 루프를 직접 구성해야 합니다. 자유로운 설계로 개성 있는 시스템을 만들 수 있다는 장점이 있지만, 가격이 비싸고 상대적으로 다루기 까다로우며 유지보수도 더 필요합니다.
대형 패시브(무팬) 냉각
세 번째 방식은 공기의 자연 대류만으로 시스템을 식히는 초대형 히트싱크를 사용하는 것입니다. 팬이 없기 때문에 크기가 매우 커야 하며, 능동 쿨러의 두세 배에 달하기도 합니다.
이런 설계는 완전 무소음 PC를 지향합니다. PC를 켤 때 팬이 돌아가는 미세한 소음조차 없으므로, 음악 녹음 작업처럼 절대적인 정숙성이 필요한 사용자에게 적합합니다.
다만 능동 냉각이 없는 만큼 주로 저~중성능 칩에 적합하며, 팬 방식보다 온도가 다소 높게 유지된다는 점은 감안해야 합니다.
노트북은 어떻게 열을 잡을까?
넉넉한 공간에서 컴퓨터를 식히는 것과, 얇은 금속·플라스틱 판 안에 부품이 빼곡히 들어간 노트북을 식히는 것은 전혀 다른 문제입니다. 일반적인 팬+히트싱크 조합은커녕 AIO나 패시브 히트싱크도 그대로 적용하기 어렵습니다. 그래서 노트북과 모바일 기기는 별도의 냉각 기술을 사용합니다.
히트파이프
노트북 냉각을 위해 처음 개발된 해법 중 하나가 히트파이프입니다. 히트싱크 제조사 Celsia의 설명에 따르면, 히트파이프 내벽에는 냉각수를 흡수하는 심지(wick) 구조가 얇게 입혀져 있습니다. 이후 물 같은 냉각 액체를 채우고 진공 밀봉하여 냉각수가 파이프 전체에 고르게 분포하도록 만듭니다.
히트파이프 한쪽 끝이 가열되면 내부에 흡수된 냉각수가 증발해 차가운 반대쪽 끝으로 이동합니다. 증기는 다시 응결되어 심지 구조에 재흡수되고, 액체가 된 냉각수는 모세관 현상을 통해 다시 가열부로 되돌아갑니다. 이 순환이 반복되며 열을 빠르게 이동시킵니다.
히트파이프는 보통 열전도 베이스 플레이트를 통해 칩과 연결되며, 두 표면 사이에는 열전도를 돕는 열인터페이스 소재(TIM)가 들어갑니다. 그러나 프로세서가 점점 뜨겁고 강력해지면서 이 방식만으로는 부족해졌고, 일부 제조사는 히트파이프가 칩에 직접 닿도록 설계했습니다. 하지만 파이프가 칩 전체 표면에 닿지 못해 냉각 효율이 떨어지는 한계가 있었습니다.
베이퍼 챔버
히트파이프의 접촉 면적 한계를 해결한 것이 바로 베이퍼 챔버입니다. 베이퍼 챔버는 히트파이프를 납작하게 펴서 발열 부위의 형태에 맞게 성형한 것으로, 평평한 사각형이든 굴곡진 형태든 칩 표면 전체와 밀착되어 효율적으로 열을 전달합니다.
Celsia에 따르면 베이퍼 챔버는 냉각 성능을 20~30% 향상시킵니다. 덕분에 노트북은 성능 저하 없이 더 얇은 냉각 솔루션을 탑재할 수 있게 되었고, 제조사들은 고성능 슬림·경량 노트북을 만들 수 있었습니다.
수랭 노트북도 있다?
노트북 수랭은 불가능하거나 비실용적이라고 생각하기 쉽지만, 그렇게 보지 않는 제조사도 있습니다. 일부 업체는 도킹 스테이션 형태의 수랭 모듈과 연결해 사용하는 고성능 노트북을 선보였습니다. 성능 향상 효과는 확실하지만 극소수의 니치 제품에 머물러 있는데, 노트북을 이동할 때마다 연결하고 분리해야 하는 불편함 때문입니다.
또한 이동 시 시스템에 남은 물이 새어 기기를 손상시키지 않도록 각별히 주의해야 하며, 수랭 모듈 자체가 부피가 커서 휴대성이라는 노트북의 핵심 장점과도 맞지 않습니다.
칩과 히트싱크 사이의 인터페이스
칩의 히트스프레더와 히트싱크의 베이퍼 챔버 또는 구리 베이스는 단단한 금속으로 만들어집니다. 따라서 두 표면 사이에는 필연적으로 미세한 공기층이 생기고, 이는 냉각 성능을 크게 떨어뜨립니다.
그래서 두 표면 사이에는 열전도를 돕기 위해 서멀 패드, 서멀 페이스트, 리퀴드 메탈 중 하나를 반드시 적용해야 합니다.
서멀 패드
가장 손쉽게 적용할 수 있는 열전도 소재입니다. 말랑한 고체 형태라 냉각이 필요한 칩 표면에 얹기만 하면 됩니다. 다만 고체인 만큼 쿨러와 프로세서 사이의 미세한 공기층을 메우는 효과는 상대적으로 떨어집니다.
서멀 페이스트
대부분의 컴퓨터 애호가들이 선호하는 방식입니다. 칩과 쿨러의 밀착을 효과적으로 도우면서도 가격이 저렴하기 때문입니다. 게다가 대부분 비전도성이라 실수로 마더보드의 다른 부품에 묻어도 큰 문제가 생길 가능성이 낮습니다.
리퀴드 메탈
이름 그대로 금속을 이용해 열을 전달하는 소재입니다. 금속의 높은 열전도율 덕분에 칩 냉각에 탁월한 성능을 보여줍니다. 하지만 가격이 비싸고(최대 50%까지 비쌈), 금속은 전도성이 있어 실수로 칩이나 보드에 흘렸는데 제때 닦지 않으면 문제가 생길 수 있습니다.
따라서 이 소재는 컴퓨터를 잘 아는 전문가나 숙련자에게 맡기는 것이 좋습니다.
더 높은 성능, 더 많은 열, 더 강한 냉각
컴퓨터 칩이 강력해지고 더 많은 에너지를 요구할수록 발열량도 증가합니다. 하드웨어의 한계를 끌어내고 싶다면 효율적인 냉각 솔루션이 필수입니다.
하지만 하드웨어를 무리하게 몰아붙이지 않을 계획이라면 최고급 냉각 시스템이 꼭 필요하지는 않습니다. 대부분의 사용자에게는 CPU와 GPU에 기본 포함된 스톡 쿨러(히트싱크+팬)로도 충분합니다.
노트북 사용자라면 이런 고민을 할 필요가 없습니다. 제조사가 이미 성능, 휴대성, 가격을 종합적으로 고려해 최적의 냉각 시스템을 탑재했기 때문입니다.