동적 전압 스케일링

3. 방법

동적 전압 스케일링은 주로 두 가지 방식으로 구현된다. 하나는 BIOS와 같은 소프트웨어를 이용해 시스템 설정을 변경하는 것이고, 다른 하나는 오버클럭 등 특정 목적을 위해 하드웨어 자체를 직접 개조하는 방법이다. 후자는 오버클러킹 커뮤니티에서 '전압 모드(Vmod)'라고도 불린다.

3. 1. 소프트웨어 제어

3. 2. 하드웨어 개조

4. 언더볼팅 (Undervolting)

언더볼팅(Undervolting)은 전자기기 부품, 특히 프로세서나 GPU에 인가되는 전압을 의도적으로 낮추는 작업을 의미한다. 이는 주로 기기의 발열을 줄이고 냉각에 필요한 조건을 완화하기 위해 시도되며, 경우에 따라 냉각 팬 없이 시스템을 구성하는 것을 가능하게 하기도 한다.

일반적으로 디지털 회로의 소비 전력(P)은 P = αC''V''²''f'' 와 같은 식으로 표현될 수 있다. 여기서 α는 스위칭 활동 계수(Switching Activity factor), C는 회로의 정전 용량, ''V''는 공급 전압, ''f''는 동작 클록 수를 나타낸다. 이 식에서 볼 수 있듯 소비 전력은 공급 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 전압을 조금만 낮추어도 소비 전력을 효과적으로 줄일 수 있다.^[6]

회로에 인가되는 전압은 회로 내 정전 용량을 충전하고 방전시키는 속도에 영향을 미치며, 이는 곧 회로의 동작 속도, 즉 최대 동작 클록 수를 결정한다. 따라서 전압을 낮추는 언더볼팅은 소비 전력과 발열을 줄이는 장점이 있지만, 과도하게 전압을 낮출 경우 시스템 불안정이나 성능 저하를 유발할 수 있다.

언더볼팅의 성공 여부 및 적용 가능한 전압 범위는 개별 부품의 생산 편차에 따라 달라지는 경향이 있는데, 이는 오버클러킹과 유사하게 소위 '실리콘 로터리'라고 불리는 현상에 크게 영향을 받는다. 즉, 동일한 모델의 제품이라도 어떤 것은 더 낮은 전압에서 안정적으로 작동하는 반면, 다른 것은 그렇지 않을 수 있다.

5. 전력 관리 기술

동적 전압 스케일링(DVS)은 디지털 회로의 전력 소모를 관리하기 위한 핵심 기술 중 하나이다. 특히 배터리로 작동하는 휴대폰이나 랩톱 컴퓨터와 같은 장치에서 전력 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

일반적으로 CMOS 기반 디지털 회로의 스위칭 전력 소모(P)는 $P\; =\; \backslash alpha\; \backslash cdot\; C\; \backslash cdot\; V^2\; \backslash cdot\; f$ 공식으로 근사할 수 있다.^[1][6] 여기서 $\backslash alpha$는 회로의 스위칭 활동 빈도를 나타내는 활동 계수(activity factor), $C$는 회로의 정전 용량, $V$는 공급 전압, $f$는 동작 클럭 주파수이다. 이 공식에서 알 수 있듯이, 전력 소모는 공급 전압($V$)의 제곱에 비례한다. 따라서 전압을 조금만 낮춰도 전력 소모를 크게 줄일 수 있다는 점이 동적 전압 스케일링의 핵심 원리이다.

회로에 인가되는 전압은 MOSFET과 같은 트랜지스터의 스위칭 속도에도 영향을 미친다. 더 높은 전압은 트랜지스터가 더 빠르게 켜지고 꺼지도록 만들어 회로가 더 높은 클럭 주파수에서 동작할 수 있게 한다. 반대로 전압을 낮추면 스위칭 속도가 느려져 최대 동작 주파수가 제한된다.

이러한 특성 때문에 동적 전압 스케일링은 종종 동적 주파수 조절(DFS) 기법과 함께 사용된다. 시스템의 연산 요구량이 낮을 때는 전압과 주파수를 함께 낮춰 전력 소모를 최소화하고, 높은 성능이 필요할 때는 전압과 주파수를 높여 처리 속도를 확보하는 방식이다.

또한, 최근 반도체 공정이 미세화되면서 스위칭 전력 외에 누설 전류로 인한 정적 전력 소모도 중요한 문제가 되고 있다. 이를 관리하기 위해 칩의 특정 부분을 완전히 차단하는 전력 차단(Power Gating) 기술도 함께 활용되기도 한다.

5. 1. 동적 주파수 조절 (Dynamic Frequency Scaling, DFS)

5. 2. 전력 차단 (Power Gating)

6. 응용 분야

정적 CMOS 게이트를 사용하는 칩이 소모하는 ''스위칭 전력''은 $\backslash alpha\; \backslash cdot\; C\; \backslash cdot\; V^2\; \backslash cdot\; f$로 계산된다. 여기서 $C$는 클럭 사이클당 스위칭되는 커패시턴스, $V$는 공급 전압, $f$는 스위칭 주파수이며,^[1] $\backslash alpha$는 활동 계수이다. 전압($V$)이 제곱으로 포함되기 때문에, 전압을 낮추면 이 스위칭 전력 소모는 크게 감소한다. 하지만 많은 최신 칩들은 100% CMOS로만 구현되지 않고 특수 메모리 회로나 동적 논리 등을 사용하며, 공정 미세화(90 나노미터 미만)와 임계 전압 감소로 인해 정적 누설 전류의 영향도 커지고 있어 위 공식만으로는 전체 전력 소모를 설명하기 어렵다.

따라서 동적 전압 스케일링은 휴대 전화나 랩톱과 같은 배터리로 구동되는 장치에서 스위칭 전력 소모를 관리하기 위한 중요한 전략으로 널리 사용된다. 낮은 전압 모드는 CPU나 DSP와 같은 부품의 전력 소모를 최소화하기 위해 낮은 클럭 주파수와 함께 사용되며, 상당한 계산 능력이 필요할 때만 전압과 주파수를 높인다.

일부 주변 장치도 낮은 전압 작동 모드를 지원한다. 예를 들어, 저전력 MMC 및 SD 카드는 1.8V 및 3.3V에서 실행될 수 있으며, 드라이버 스택은 이를 지원하는 카드를 감지한 후 더 낮은 전압으로 전환하여 전력을 절약할 수 있다.

누설 전류가 전력 소비에서 중요한 요소가 될 경우, 칩의 일부 영역 전원을 완전히 차단(power gating)하도록 설계하기도 한다. 이는 일반적으로 소프트웨어에 투명하게 이루어지지 않으므로 동적 전압 스케일링과는 다른 개념으로 간주된다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI)의 OMAP3 프로세서처럼 칩의 특정 부분을 끌 수 있는 기능은 해당 기능을 지원하는 드라이버 및 기타 지원 소프트웨어가 필요하다.

6. 1. 비동기 단순 프로세서 배열 (AsAP)

7. 구현

167개의 프로세서로 구성된 AsAP 2 칩은 각 프로세서가 자신의 공급 전압을 1~2 나노초(ns) 정도로 매우 빠르게 자체적으로 제어하여 바꿀 수 있다. 프로세서는 로컬 전력망을 더 높은 전압(VddHi)이나 더 낮은 전압(VddLow)에 연결할 수 있으며, 두 전력망 모두에서 완전히 연결을 끊어 누설 전력을 크게 줄일 수도 있다.

다른 방식으로는 코어별로 온칩 스위칭 레귤레이터를 사용하여 동적 전압 및 주파수 스케일링(DVFS)을 수행하는 방법이 있다.^[2]

8. 시스템 안정성

동적 주파수 조절은 동적 전압 스케일링과 비슷한 원리로 작동하는 또 다른 전력 절약 기술이다. 동적 전압 스케일링과 동적 주파수 조절은 모두 프로그램 또는 운영 체제의 충돌이나 잠재적인 하드웨어 손상으로 이어질 수 있는 컴퓨터 시스템 과열을 방지하는 데 사용될 수 있다. 하지만 CPU에 공급되는 전압을 제조업체에서 권장하는 최소 설정보다 낮추면 시스템이 불안정해질 수 있다.

9. 온도와의 관계

일반적인 소비 전력(P)은 P = ''α''CV²''f'' 로 표현된다. 여기서 ''α''는 스위칭 활동 계수(Switching Activity factor), C는 회로의 정전 용량, V는 공급 전압, ''f''는 동작 클록 주파수이다. 소비 전력은 공급 전압(V)의 제곱에 비례하므로, 전압 조정을 통해 소비 전력을 효과적으로 제어할 수 있다.^[6] 회로의 정전 용량(C)은 특정 전류로 전압을 변경하는 데 걸리는 시간과 관련이 있다. 전압 변경에는 전하의 충전 및 방전이 필요하며, 전류는 전압과 연관되므로 동작 시간은 인가되는 전압에 영향을 받는다. 높은 전압을 사용하면 정전 용량을 더 빠르게 충전하고 방전할 수 있어 회로 동작 속도를 높이고 더 높은 클록 주파수 사용이 가능해진다.

그러나 전압 조정기와 같은 일부 전기 부품은 온도가 상승하면 효율이 감소하는 경향이 있다. 이로 인해 시스템의 전력 사용량이 온도에 따라 증가하여 열 폭주 현상이 발생할 수 있다. 따라서 전압이나 주파수를 높이면 CMOS 공식에서 예측하는 것보다 시스템의 전력 요구량이 훨씬 더 빠르게 증가할 수 있으며, 반대로 전압이나 주파수를 낮추면 전력 요구량이 더 크게 감소할 수도 있다.^[3][4]

10. 주의 사항

과전압의 주요 주의사항은 발열 증가이다. 회로에서 소모되는 전력은 인가된 전압의 제곱에 비례하여 증가하므로, 작은 전압 증가라도 전력 소모와 발열에 큰 영향을 미친다. 온도가 높아지면 트랜지스터 성능에 부정적인 영향을 미치며, 일정 임계값을 넘어서면 열로 인한 성능 저하가 과전압으로 얻을 수 있는 잠재적 이점보다 커지게 된다. 높은 전압을 사용하면 과열 및 회로 손상이 매우 빠르게 발생할 수 있다.

또한 장기적인 문제도 있다. 핫 캐리어 주입 및 전기적 이동과 같은 다양한 부정적인 장치 수준의 영향이 더 높은 전압에서 더 빠르게 발생하여, 과전압된 구성 요소의 수명을 감소시킨다.

과전압으로 인한 발열 증가를 완화하기 위해, 수냉식 냉각을 사용하는 것이 좋다. 이는 일반적인 공랭식 쿨러보다 더 높은 성능 한계와 임계값을 제공한다. '올인원'(AIO) 쿨러라고도 알려진 수냉식 냉각 장치는 열 발생원(히터)의 열을 라디에이터의 팬을 통해 컴퓨터 케이스 외부로 직접 배출하여 냉각 효율을 높인다. 반면, 공랭식 냉각은 영향을 받은 장치에서 발생한 열을 주변 공기로 분산시켜 케이스 내부의 전체적인 온도를 높이는 경향이 있다.^[5]

참조

_[1] 서적 Digital Integrated Circuits Prentice Hall 1996
_[2] 논문 System Level Analysis of Fast, Per-Core DVFS using On-Chip Switching Regulators http://www.eecs.harv[...] 2008
_[3] 웹사이트 Asus EN9600GT Silent Edition Graphics Card http://www.silentpcr[...] 2008-04-21
_[4] 웹사이트 80 Plus expands podium for Bronze, Silver & Gold http://www.silentpcr[...] 2008-03-19
_[5] 웹사이트 CPU Cooler: Liquid Cooling vs Air Cooling https://www.intel.co[...] 2024-03-31
_[6] 간행물 Power optimization using dynamic power management Integrated Circuits and Systems Design, 1999. Proceedings, XII Symposium 1999-09-29