열 설계 전력
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1. 개요
열 설계 전력(TDP)은 집적 회로의 발열량을 나타내는 지표로, 냉각 시스템 설계를 위한 중요한 기준이다. AMD는 평균 CPU 전력(ACP)을, 인텔은 높은 작업 부하에서의 에너지 소비량을 TDP로 정의한다. CPU의 실제 소비 전력은 TDP를 초과할 수 있으며, 인텔은 PL1, PL2, PBP, MTP와 같은 전력 관리 지표를, AMD는 PPT를 사용한다. TDP는 제조업체마다 정의가 다르고, 실제 사용 환경에 따라 달라지므로, 서로 다른 제조사의 TDP 값을 직접 비교하기는 어렵다. 인텔의 cTDP와 SDP, AMD의 TDP 전력 제한과 같은 기술을 통해 TDP 값을 조정하여 다양한 사용 시나리오에 대응할 수 있다.
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| 열 설계 전력 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 컴퓨터 냉각 시스템이 발산해야 하는 열의 양 |
| 설명 | 마이크로프로세서의 열 설계 전력을 의미함 냉각 시스템 설계 시 최대 열 발생량을 나타내는 지표 |
| 참고 | 실제 전력 소비와는 다를 수 있음 |
2. 정의 및 배경
집적 회로의 성능 향상과 미세화 공정으로 인해 발열량이 증가하면서, 효과적인 냉각 시스템 설계의 중요성이 커졌다. 이에 따라 열 설계 전력(TDP)이라는 지표가 등장하여, 냉각 장치 제조사가 고려해야 할 최대 열량을 명확히 제시하게 되었다.[28]
CPU는 전력을 소비하며 발열하므로, 소비 전력은 항상 발열량 이상이다.[23] 펜티엄 프로나 AMD K6와 같이 구형 CPU나, 열적 여유가 적은 저TDP CPU에서는 소비 전력과 TDP가 대략 일치한다.[24]
일반적으로 대규모 집적 회로 제조업체와 냉각 장치 제조업체는 다르기 때문에, 어느 정도의 열량을 최대로 전달해야 하는지를 명확히 하기 위해 만들어진 지표이다. 대규모 집적 회로 제조업체 측에서 제시하는 지표이며, 냉각 장치 제조업체에 기대하거나 요구하는 수치라고 할 수 있다.
3. CPU의 TDP와 소비 전력
TDP는 정격 주파수로 작동하는 경우를 전제로 하지만,[24] 인텔 터보 부스트와 같이 열적으로 여유가 있는 경우에는 정격을 초과하여 클럭 주파수를 올리는 기능이 등장했다. 이러한 기능으로 인해 부하가 높아진 직후, 열이 전달되기까지의 짧은 시간 동안만 TDP를 초과하는 전력을 소비하거나,[24] 마더보드 설정에 따라 TDP를 초과하는 전력을 지속적으로 소비하여 작동하도록 할 수도 있다.[23] 이처럼 "TDP < 소비 전력"인 상태도 흔해졌으며, CPU에 대한 전원 공급 능력도 TDP를 크게 상회하는 것이 요구된다.[24]
이에 따라 CPU를 효율적으로 관리하기 위해 TDP 외에 다른 지표들이 사용되기 시작했다.
3. 1. 인텔의 전력 관리 지표
Intel CPU에서는 8세대 이후의 Core i 시리즈부터 '''PL1''' (Power Limit 1)과 '''PL2''' (Power Limit 2) 설정을 사용할 수 있게 되었다.[23] PL1은 지속적으로 소비 가능한 전력 상한치로, 기존의 TDP에 해당한다. PL2는 고부하 시에 짧은 시간 동안 도달할 수 있는 전력 상한치이며, 이 값에 따라 냉각 시스템에 여유가 있다면 고클럭 동작을 한다.
또한, 12세대 이후 Core i 시리즈부터는 '''PBP''' (Processor Base Power)와 '''MTP''' (Maximum Turbo Power)가 도입되었다.[25] PBP는 기본 클럭에서 작동을 보장하는 전형적인 소비 전력으로, 기존 TDP나 PL1에 해당한다. MTP는 고부하 시에 최대 소비할 수 있는 전력량으로, 기존 PL2와 유사하지만 더 긴 시간 동안 유지할 수 있다.
3. 2. AMD의 전력 관리 지표
AMD CPU에서는 2세대 이후의 라이젠 시리즈에서 '''PPT''' (Package Power Tracking) 설정을 사용할 수 있다[23]。PPT는 고부하 시의 최대 패키지 전력 값 설정을 수행하며, 인텔의 PL2에 가까운 개념이지만, 냉각 시스템에 여유가 있는 한 고클럭 동작이 계속된다.
4. TDP 계산 및 비교
AMD의 평균 CPU 전력(ACP)은 "평균" 일일 사용량에서 CPU의 전력 소비를 나타내는 반면, 인텔의 TDP는 높은 작업 부하에서의 에너지 소비를 측정한다. 이는 동일한 프로세서의 "평균" ACP 등급보다 수치적으로 다소 높다. AMD에 따르면 ACP 등급에는 TPC-C, SPECcpu2006, SPECjbb2005 및 STREAM 벤치마크 (메모리 대역폭)를 포함한 여러 벤치마크를 실행할 때의 전력 소비가 포함된다.
TDP는 제조사마다 정의가 다르고, 실제 사용 환경에 따라 달라질 수 있으므로, 서로 다른 제조사의 TDP 값을 직접 비교하는 것은 어렵다. 예를 들어 TDP가 100W인 프로세서는 TDP가 작은 프로세스나, 동일 제조사의 TDP가 낮은 프로세서보다 더 많은 전력을 사용할 가능성이 높지만, TDP가 지나치게 낮지 않은 다른 제조사의 프로세서(예: 90W)보다 더 많은 전력을 사용할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 또한 TDP는 프로세서 제품군에 대해 지정되는 경우가 많으며, 저가형 모델은 일반적으로 고급형 모델보다 훨씬 적은 전력을 사용한다.
2006년경까지 AMD는 프로세서의 최대 전력 소비량을 TDP로 보고했다. 인텔은 콘로 프로세서 제품군을 출시하면서 이러한 관행을 바꾸었다. 특히 인텔의 측정에서는 기본 시간 제한으로 인해 인텔 터보 부스트를 완전히 고려하지 않는 반면, AMD는 AMD 터보 코어가 항상 최대 전력을 추구하기 때문에 이를 고려한다.[10]
5. TDP의 한계 및 대안
CPU의 TDP는 경우에 따라 과소 평가될 수 있는데, 이는 비디오 인코딩이나 게임과 같이 과도한 작업을 하는 특정 실제 응용 프로그램에서 CPU가 지정된 TDP를 초과하여 컴퓨터 냉각 시스템에 과부하를 유발할 수 있기 때문이다. 이 경우 CPU는 시스템 오류("열 트립")를 일으키거나 속도를 늦춘다.[7] 대부분의 최신 프로세서는 팬 작동 중단이나 방열판의 잘못된 장착과 같은 치명적인 냉각 고장 시에만 열 트립을 일으킨다.
예를 들어, 노트북의 CPU 냉각 시스템은 20 W TDP로 설계될 수 있으며, 이는 노트북 CPU의 최대 접합 온도를 초과하지 않고 최대 20 와트의 열을 발산할 수 있음을 의미한다. 냉각 시스템은 팬이 있는 방열판과 같은 능동 냉각 방식(예: 강제 대류와 결합된 전도) 또는 열 복사나 전도와 같은 수동 냉각 방식을 사용할 수 있다. 일반적으로 이러한 방법들의 조합이 사용된다.
제조사마다 안전 여유 및 실제 애플리케이션을 구성하는 요소에 대한 정의가 다르기 때문에, 서로 다른 제조사 간의 TDP 값을 정확하게 비교할 수는 없다. 예를 들어 TDP가 100W인 프로세서는 TDP가 더 작은 프로세스보다 전부하 상태에서 더 많은 전력을 사용할 가능성이 높다. 동일한 제조사의 TDP가 낮은 프로세서보다는 훨씬 더 많은 전력을 사용할 수 있지만, TDP가 지나치게 낮지 않은 다른 제조사의 프로세서(예: 90W)보다는 더 많은 전력을 사용할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 또한, TDP는 종종 프로세서 제품군에 대해 지정되며, 저가형 모델은 일반적으로 고급형 모델보다 훨씬 적은 전력을 사용한다.
2006년경까지 AMD는 자사 프로세서의 최대 전력 소비량을 TDP로 보고했다. 인텔은 콘로 프로세서 제품군을 도입하면서 이 관행을 변경했다.[8] 인텔은 지정된 칩의 TDP를 칩이 지속적인 부하 상태에서 컴퓨터의 팬과 방열판이 소산해야 하는 전력량에 따라 계산한다. 실제 전력 사용량은 TDP보다 높거나 훨씬 낮을 수 있지만, 이 수치는 제품의 냉각 솔루션을 설계하는 엔지니어에게 지침을 제공하기 위한 것이다.[9] 특히 인텔의 측정은 인텔 터보 부스트를 기본 시간 제한으로 인해 완전히 고려하지 않지만, AMD 터보 코어는 항상 최대 전력을 추구하기 때문에 AMD는 고려한다.[10]
TDP의 한계를 보완하기 위해, 일부 프로세서는 사용 시나리오, 사용 가능한 냉각 용량 및 원하는 전력 소비량에 따라 여러 다른 전력 수준에서 작동하도록 허용하기도 한다. 이러한 가변 TDP를 제공하는 기술에는 인텔의 ''구성 가능한 TDP''(cTDP) 및 ''시나리오 설계 전력''(SDP), 그리고 AMD의 ''TDP 전력 제한''이 있다.
5. 1. 구성 가능한 TDP (cTDP)
인텔의 ''구성 가능한 TDP''(cTDP) 및 AMD의 ''TDP 전력 제한''은 일부 프로세서가 사용 시나리오, 냉각 용량, 전력 소비량 등에 따라 여러 다른 전력 수준에서 작동하도록 허용하는 가변 TDP를 제공하는 기술이다.''구성 가능한 TDP''(cTDP) 또는 ''프로그래밍 가능한 TDP''는 최신 세대의 인텔 모바일 프로세서와 AMD 프로세서의 작동 모드이다. TDP 값을 조정하여 프로세서의 동작 및 성능 수준을 변경함으로써 전력 소비와 TDP를 동시에 변경할 수 있다. 이를 통해 프로세서는 냉각 용량 및 전력 소비량에 따라 더 높거나 낮은 성능 수준으로 작동할 수 있다.[11]
cTDP는 일반적으로 다음 세 가지 작동 모드를 제공한다.[11]
- ''공칭 TDP'': 프로세서의 정격 주파수 및 TDP.
- ''cTDP 다운'': 냉각기 또는 더 조용한 작동 모드를 원하는 경우 공칭 모드에 비해 더 낮은 TDP와 낮은 주파수를 지정.
- ''cTDP 업'': 추가 냉각이 가능한 경우 공칭 모드에 비해 더 높은 TDP와 높은 주파수를 지정.
예를 들어, 일부 Haswell 모바일 프로세서는 cTDP 업, cTDP 다운 또는 두 모드를 모두 지원한다.[14] 또 다른 예로, 일부 AMD Opteron 프로세서 및 Kaveri APU는 더 낮은 TDP 값으로 구성할 수 있다.[13] IBM의 POWER8 프로세서는 내장된 온칩 컨트롤러(OCC)를 통해 유사한 전력 제한 기능을 구현한다.[15]
5. 2. 시나리오 설계 전력 (SDP)
인텔은 2013년부터 일부 저전력 Y 시리즈 프로세서에 대해 시나리오 설계 전력(SDP)을 도입했다.[16][17] SDP는 "실제 환경 시나리오"에서 열적으로 관련 있는 장치 사용을 나타내는 추가적인 열 참조 지점이다.[18] SDP는 전력 등급으로서 프로세서의 추가적인 전력 상태가 아니라, 특정 벤치마크 프로그램 조합을 사용하여 프로세서의 평균 전력 소비량을 나타낸다.[16][19][20]참조
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