컴퓨터 냉각

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1. 개요
2. 역사적 배경
3. 냉각 방식
- 3.1. 시스템 냉각
  - 3.1.1. 공랭
- 3.2. 국부 냉각
4. 기타 냉각 기술
5. 냉각 최적화
6. 컴퓨터 유형별 냉각
참조

1. 개요

컴퓨터 냉각은 컴퓨터 부품의 과열을 방지하기 위한 기술로, 초기에는 발열이 심하지 않았으나, 프로세서의 성능 향상과 집적도 증가에 따라 중요성이 커졌다. 현재는 공랭, 수랭, 히트 파이프, 펠티어 냉각 등 다양한 방식이 사용되며, 각 방식은 장단점을 가지고 있다. 냉각 효율을 높이기 위해 열전도성 화합물 사용, 케이블 정리, 공기 흐름 최적화 등의 기술이 활용된다. 한국의 컴퓨터 냉각 산업에는 잘만과 같은 제조사, 수입 판매상, 팹리스 제조업체 등이 참여하고 있다.

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컴퓨터 냉각

2. 역사적 배경

컴퓨터 냉각 기술은 마이크로프로세서의 발전과 밀접하게 연관되어 있다. 초기(1980년대) PMOS, NMOS 논리 방식의 마이크로프로세서는 발열이 크지 않았지만, CMOS 논리 방식으로 이행하면서 발열 문제가 완화되었다. 인텔 8086에서 발열 문제가 발생한 후, 80286에서는 완화되었다. 80386이나 68030까지는 프로세서 표면에서 열을 방출하는 것으로 충분했다.

하지만 칩 집적도와 클럭 속도가 향상되면서 발열 문제는 다시 심각해졌다. i486, 68040 프로세서 사용 시기에는 클럭 주파수가 약 30MHz 이상, 소비 전력이 수십 와트에 달해 프로세서 표면만으로는 냉각이 어려워졌다. 이에 따라 금속 재질의 히트싱크를 CPU에 부착하는 방식이 등장했다. 히트싱크에서 방출된 열은 케이스 배기 팬이나 전원 팬을 통해 외부로 배출되었다.^[18] 80286 시절에는 히트싱크가 없는 경우도 있었지만, 간단한 히트싱크를 부착하거나 4cm 정도의 독립된 팬을 부착한 구조도 나타났다.

인텔 펜티엄 초기(인텔 486 말기)에는 32비트화, RISC에 대항하기 위한 고성능화로 클럭 주파수가 50~100MHz, 소비 전력은 30W 전후로 증가하여 CPU 발열이 더욱 심해졌다. 이에 따라 방열판과 케이스 통풍(자연 냉각)만으로는 부족하여, 방열판에 팬을 부착하는 강제 공랭 방식이 일반화되었다. 당시 "CPU로 계란 프라이를 할 수 있는가"와 같은 기획이 등장하기도 했고^[96], 2001년경에는 CPU 발열이 곧 원자로, 나아가 태양의 열 유량에 도달할 것이라는 주장도 나왔다.^[97]

펜티엄과 같은 x86 프로세서가 성능 향상에 따른 발열 증가로 냉각 장치 강화가 불가피했던 반면, PowerPC를 채용한 매킨토시는 성능 당 소비 전력이 적어 소형 팬리스 히트싱크를 계속 사용했다. 특히 PowerPC G3를 탑재한 아이맥, PowerPC G4를 탑재한 파워 맥 G4 큐브는 케이스 방열 팬도 없애고 자연 대류를 이용한 팬리스 설계를 채택하여 정숙성을 높였다.

2000년대 후반에는 x86 프로세서에서도 아톰, Geode, C7 등 저전력 CPU가 등장하여 팬리스 PC/AT 호환기가 나왔다. 또한 발열량이 적은 CPU(코어 2 듀오, 코어 i7, 코어 i5 일부 등)에서도 정숙성을 위해 CPU 팬을 제거하는 경우도 있었다(맥 미니 등). 칩셋은 2020년 현재도 히트싱크만으로 냉각하는 경우가 많지만, 과거 NVIDIA nForce 4 SLI 칩셋이나 AMD X570 칩셋처럼 하이엔드 제품에서는 소형 팬으로 냉각하기도 했다.

인텔 스피드스텝 기술은 노트북 PC의 배터리 소비를 줄이는 기능이었지만, 데스크톱 PC에서도 아이들 상태일 때 주파수와 전압을 낮춰 소비 전력과 발열을 억제하는 데 사용되고 있다.

2020년대에는 소비 전력과 주파수를 짧은 시간 동안 초과하는 기능(인텔 터보 부스트 기술)과 온도 상승에 따라 자동으로 주파수를 낮추는 기능(서멀 스로틀링)이 표준이 되면서, TDP 이상의 냉각 능력을 갖춘 CPU 쿨러의 중요성이 더욱 커지고 있다.^[91]

2. 1. 여명기

컴퓨터에 사용되는 마이크로프로세서는 초기에는 PMOS, 이어서 NMOS 논리 방식이었기 때문에, 1980년대에는 발열이 문제가 될 정도였다. 하지만, CMOS 논리 방식으로 이행하면서 일단 완화되었다. 인텔(Intel)의 주력 제품의 경우, 8086에서 발열 문제가 발생한 후, 80286에서 완화되었다. 약 수 와트의 소비 전력이었던 Intel 80386이나 68030 무렵까지는 방열을 위해 특별한 부품을 장착하지 않고 프로세서 표면에서 열을 방출했다.

그러나 그 후에도 칩의 집적도와 클럭 속도 향상이 멈추지 않아 소비 전력이 증대되면서, 발열 문제는 점점 커졌다.

2. 2. 히트싱크 냉각의 등장

i486·68040 프로세서가 널리 사용되던 시기에, 클럭 주파수가 약 30MHz 이상으로 높아지고 소비 전력도 수십 와트에 달하게 되면서 프로세서 표면만으로는 충분한 열을 식히기 어려워졌다. 이에 따라, CPU 위에 열을 잘 전달하는 금속 재질의 히트싱크를 부착하는 방식이 등장하였다. 히트싱크를 통해 방출된 열은 케이스의 배기 팬이나 전원 팬을 통해 강제로 외부로 배출되는 구조가 일반적이었다.^[18]

80286 시절에는 수지(樹脂)제 패키지에 히트싱크가 없는 경우도 있었지만, 간단한 히트싱크를 부착하고 케이스의 통풍을 전원의 그것과 겸용하거나, 4cm 정도의 독립된 팬을 부착한 구조도 등장했다.

2. 3. 공랭 팬 냉각의 보편화

컴퓨터 팬은 자연 대류만으로 열을 제거하기에 충분하지 않을 때 사용한다. 팬은 컴퓨터 케이스에 장착하거나, CPU, GPU, 칩셋, 전원 공급 장치(PSU), 하드 디스크 또는 확장 슬롯에 꽂는 카드 형태로 부착될 수 있다. 일반적인 팬 크기는 40, 60, 80, 92, 120, 140 mm가 있다. 200, 230, 250, 300 mm 팬은 고성능 개인용 컴퓨터에 사용되기도 한다.

인텔 펜티엄 초기(인텔 486 말기) 무렵, 32비트화가 진행되고, 새롭게 등장한 RISC에 대항하기 위해 고성능화가 이루어졌다. 클럭 주파수는 50~100MHz, 소비 전력은 30W 전후로 증가하면서 CPU 발열이 더욱 심해졌다.

그 결과, 방열판과 케이스 통풍(자연 냉각)만으로는 방열이 어려워져, 방열판에 팬을 부착하여 팬으로 발생시킨 바람을 불어넣는 강제 공랭 방식이 일반화되었다. 잡지에서 "CPU로 계란 프라이를 할 수 있는가" 등의 기획이 나오기도 했고^[96], 2001년경에는 "이대로의 속도로 발열이 증가하면, CPU 발열에 의한 단위 면적당 열 유량은 곧 원자로를 넘어서고, 2015년에는 태양의 그것에 도달할 것이다"라는 주장이 나오기도 했다^[97] (실제로는 2010년 시점에서는 원자로에 미치지 못했다).

하이엔드 프로세서의 경우, 클럭 주파수 향상의 증가세는 최근 둔화되는 경향이 있지만, 멀티 코어화에 따른 총 소비 전력 또는 TDP는 2017년까지 꾸준히 증가했으며^[98], 이에 따라 (하이엔드 프로세서의 경우) CPU 쿨러도 강화되어 왔다.

2. 4. 저발열 CPU와 팬리스 냉각

한편, 펜티엄을 비롯한 x86 프로세서가 성능에 비례하여 증가하는 발열에 대응하여 냉각 장치의 강화가 불가피했던 반면, 성능 당 소비 전력이 비교적 적은 PowerPC를 채용한 매킨토시에서는 CPU 냉각 장치에 소형 팬리스 히트싱크를 계속 채용했다. 특히 소비 전력이 낮은 PowerPC G3를 탑재한 아이맥, PowerPC G4를 탑재한 파워 맥 G4 큐브는 케이스의 방열 팬도 폐지하고 에어 플로우를 의식한 팬리스 설계를 채택하여 정숙성이 뛰어났다. 구성 부품의 히트싱크에서 방출된 열은 공기의 자연 대류로 외부로 배출된다.

2000년대 후반에는 x86 프로세서에서도 아톰, Geode, C7 등 발열량이 적은 저전력 CPU도 등장하여 팬리스 PC/AT 호환기가 등장했다. 또한, 발열량이 그다지 많지 않은 CPU(코어 2 듀오, 코어 i7, 코어 i5의 일부 등)에서도 정숙성을 위해 CPU 팬을 제거하는 경우도 있지만(맥 미니 등), 상당한 크기의 히트싱크가 필요하다. 칩셋은 2020년 현재도 히트싱크만으로 냉각하는 경우가 많지만, 과거의 NVIDIA nForce 4 SLI 칩셋이나 AMD X570 칩셋처럼 하이엔드 제품에서는 소형 팬으로 냉각하는 경우도 있다.

인텔 스피드스텝 기술은 원래 노트북 PC의 배터리 소비를 억제하는 기능이었지만, 데스크톱 PC에서도 아이들 상태나 그와 유사한 상태라면 주파수와 전압을 낮추어 소비 전력과 발열을 억제하기 위해 이용되고 있다.

2020년대에는 소비 전력과 주파수를 아주 짧은 시간 동안 초과하는 기능(인텔 터보 부스트 기술)과 반대로 열 파괴를 방지하기 위해 온도 상승에 따라 자동으로 주파수를 낮추는 기능(서멀 스로틀링)이 표준이 되면서, 본래의 성능을 발휘하기 위해서는 TDP 이상의 냉각 능력을 갖춘 CPU 쿨러의 중요성이 더욱 커지고 있다.^[91]

3. 냉각 방식

CPU의 열을 수냉 헤드(중앙)에서 라디에이터(오른쪽)로 이동하여 방열한다.]]

수냉 키트 일식
사용자가 수냉 경로를 조립하거나 냉각수를 다룰 필요가 없다.
리저버 탱크가 없어 CPU 발열량에 따라 냉각 성능이 제한될 수 있다.
냉각수 교환이 불가능하여 성능 저하 시 기재를 교체/폐기해야 한다.
2019년 현재 유통되는 제품 대부분은 Asetek에서 OEM 제조하며, 특허 분쟁에서 승소했다.
2020년대부터 화이트 박스 컴퓨터 제조사에서도 BTO용 부품이나 하이엔드 모델로 채택하고 있다.
GPU 냉각에 CPU용 간이 수냉을 이용하기도 한다.^[114]
수냉형 쿨러는 팬에 의한 바람 흐름이 제한적이므로, 칩셋, 메인 메모리 등 다른 부품 냉각이 소홀해질 수 있어 주의해야 한다.
노트북 컴퓨터에도 수냉을 채용한 제품이 있다 (히타치 제작소・FLORA 270W 사이렌트 모델, 2002년 출시).^[115]
액체 침지 냉각: CPU, 마더보드 등 부품을 냉각액에 직접 담그거나 방수 케이스에 넣어 담그는 방식이다. 냉각 성능이 매우 높지만, 전용 PC나 키트가 매우 고가이고, 유지 보수가 어렵다.
냉각액으로는 불소계 불활성 액체나 오일 등 비전도성 액체를 사용한다.
주로 데이터 센터 서버나 슈퍼컴퓨터 등 높은 냉각 성능을 요구하는 용도로 사용된다.
마이크로소프트는 나틱 계획을 통해 해중 데이터 센터 검증 실험을 진행 중이다.^[117]
국립정보학연구소는 마더보드를 해중/호수에 직접 담그는 실험을 하고 있다.^[118]
상변화 냉각: 소형 냉동기를 내장하여 냉매가 상전이 시 기화열을 이용해 방열하는 방식이다. 수냉보다 냉각 효과가 높지만, 장치가 크고 고가이며, 제습기 등을 유용 시 대대적인 개조가 필요하다.
가정/사무실 환경에서는 공랭/간이 수냉으로 충분하므로, 컴퓨터에서는 일반적으로 사용되지 않는다.
펠티어 (열전) 냉각: 펠티어 효과를 이용한 얇은 냉각 소자로, CPU 접촉면에서 흡수한 열을 반대쪽 면으로 이동시킨다. 공랭/수냉 냉각 장치와 함께 사용하여 방열 효율을 높이거나, 외부 공기보다 낮은 온도를 만든다.
효율이 낮아(일반 냉장고의 10~15%) 고체 상태 특성이 중요한 환경에서만 사용된다.
i486, 펜티엄 시대에 유행했으나, 소자 자체의 발열, 결로 문제, 공랭 장치 성능 향상으로 쇠퇴했다.
2020년 인텔이 약점을 해결하려는 제품을 기획^[123]했으나, 지원 메인보드가 제한적이고 모듈 소비 전력이 높다.
액체 질소/액체 헬륨 냉각: CPU 위에 액체 질소/드라이아이스를 넣는 구리 통 등을 사용하여 방열하는 방식이다. 극저온에서 극단적인 오버클럭이 가능하여 "극냉"이라고 불린다.
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결로 방지 대책이 필요하고, 냉매 소모로 운용 비용이 높아 벤치마크 경기 등 극단적인 오버클럭 시에만 이용된다.
액체 질소는 -196°C에서 끓어 짧은 오버클럭 세션에 유용하다.
액체 헬륨은 액체 질소보다 더 차갑지만 비싸고 보관/사용이 어렵다. 극저온은 집적 회로 작동을 멈추게 할 수 있다.
2018년 오버클럭 대회에서 사용되었으며^[121], 필요한 부품은 직접 제작하거나^[120] 키트로 구매할 수 있다.^[122]

3. 1. 시스템 냉각

시스템 냉각은 통풍 등을 통해 전체적인 내부 온도를 낮춰주는 냉각이다. 집적 회로(CPU, GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 열 발생 장치이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수 선택으로 열 발생을 줄일 수 있지만, 허용 가능한 성능을 위해서는 상당한 열 발생 관리가 필요하다.^[1]

컴퓨터 내부의 마더보드. 왼쪽의 은색 원통형 부분이 CPU 냉각 장치(CPU 쿨러)이다.

고온은 부품 수명을 단축시키거나 영구적인 손상을 일으킬 수 있다. 제조사들은 온도가 안전한 한계 내에 유지되도록 추가적인 예방 조치를 취하는 경우가 많다. CPU, 마더보드, 칩셋, GPU에 온도 센서가 통합된 컴퓨터는 고온이 감지되면 스스로 전원을 끌 수 있지만, 장기적인 안전 작동을 완전히 보장하지는 못한다. 과열된 부품은 동적 주파수 조절 기술을 사용하여 온도가 안전한 지점 이하로 떨어질 때까지 "스로틀링"될 수 있다. 스로틀링은 집적 회로의 작동 주파수와 전압을 줄이거나 칩의 필수적이지 않은 기능을 비활성화하여 발열량을 줄이며, 성능이 감소하는 경우가 많다. 데스크톱 및 노트북 컴퓨터의 경우 스로틀링은 BIOS 수준에서 제어된다. 스로틀링은 스마트폰 및 태블릿의 온도를 관리하는 데에도 일반적으로 사용된다.^[1]

사용자는 손상 발생 전에 예방을 위해 냉각기 및 케이스 팬을 육안으로 검사하고, 먼지와 이물질을 제거해야 한다. 또한 서멀 그리스를 정기적으로 교체해야 한다.^[2]

CPU뿐만 아니라, 집적 회로를 사용하는 전자 기기에서 강하게 발열하는데도 냉각을 게을리하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

과열에 의한 오작동 (특히 열폭주)
발열/수축 반복에 의한 수명 단축
반도체로서의 열폭주나 고장, 파괴

충분한 냉각을 하지 않으면, 일시적인 기능 부전이나, 영구적인 파괴, 수명 단축이 일어날 수 있다.

마이크로프로세서 CPU의 경우, B2B "벌크품"에는 CPU 쿨러가 부속되지 않는다. 일반 소비자용 "리테일 패키지"에는, 필요 충분한 정도의 성능을 보증한 CPU 쿨러("리테일 쿨러", "정품 쿨러")가 동봉되어 있으며^[91], 제품에 따라서는 정품 이외 쿨러와의 조합이 보증 외가 되는 경우도 있다. 조립 PC나 BTO PC에서는, 냉각 능력이나 정숙성 등을 중시한 쿨러를 원하는 사용자도 많아, 교체용 서드 파티 CPU 쿨러가 다수 개발, 판매되고 있다. 2020년대에는 리테일 버전에서도 쿨러가 부속되지 않는 패키지도 나오고 있다.

조립 PC나 BTO PC에서는, 원래는 통풍되는 방향에 따라야 할 마더보드상의 서브 기판이 그 방향에 따르지 않는 경우가 있다(예: 메모리 모듈 등). 커스텀의 폭이 좁은 전제로 설계되는 메이커 PC나 PC 서버 등에서는, 폼 팩터에 얽매이지 않고 전체 최적의 설계가 보이는 경우도 많다^[92]。

개인용 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라, 업무용 워크스테이션이나 서버에서도, 냉각이 필요한 이유는 퍼스널 컴퓨터의 경우와 같지만, 시스템 전체의 냉각을 고려한 설계가 되어 있다^[91]。

;GPU의 냉각

GPU 등의 프로세서, 또는 더 많은 집적 회로에서 발열이 현저한 것의 냉각, 비디오 카드의 주로 GPU를 냉각하는 것을 "GPU 쿨러" 또는 "VGA 쿨러"라고 부른다. 동일한 GPU를 채용한 제품에서도, 제조사에 따라 팬의 수가 1~3개로 다른 경우가 있다.

;게임 콘솔의 냉각

가정용 게임기에서도 마찬가지로, 심장부의 CPU나 SoC가 고성능이 되어 발열이 커질수록 강력한 냉각이 필요하게 되었다. 예를 들어 PlayStation 시리즈의 경우, 1994년에 발매된 초대 PS에서는 자연 통풍에 의한 냉각만 있었지만, 2000년에 발매된 PS2에서는 방열 핀, 팬, 배기구 등의 냉각 시스템이 내장되었다. 2022년 11월에 발매된 고성능의 PS5에서는, 본체 내부에 직경 120mm 두께 45mm의 거대한 양면 흡기 팬이 장착되어 있으며, 전면의 2개의 벤트에서 흡기를 실시하고 후면 측 거의 전면의 다수의 슬릿에서 배기를 하는 구조로 되어 있다. 히트싱크에 히트 파이프를 채용하고 있지만, (PS3나 PS4보다도) 대형이며, 형상이나 에어 플로우의 개선에 의해 베이퍼 챔버 수준의 성능을 실현하고 있다고 한다. PS5의 심장부의 SoC와 히트싱크 사이에 끼우는 TIM(서멀 인터페이스 재료)에는 액체 금속을 채용하고 있다^[93]。

;메인프레임 등의 냉각

1950년대부터 존재했던 메인프레임과, 1960년대 중반에 등장했다고 여겨지는 슈퍼컴퓨터에서 냉각이 필요하게 된 이유도 마찬가지이다. 원래 대형 컴퓨터밖에 없었던 시대, 컴퓨터는 열에 약한 것이었다. 메인프레임에서는, 설치되는 머신 룸(컴퓨터 룸)은 20℃ 전후로 실온을 유지해야 한다고 규정된 기종이 많았던 역사가 있다^[94](그 결과, 메인프레임의 오퍼레이터는 추위를 견뎌야 했다). 20℃ 전후로 유지하기 때문에, 그 냉방비만으로도 상당한 금액이 들었다. 스파컴이나 메인프레임 등에서는, 퍼스널 컴퓨터와는 상당히 다른 냉각 방법도 채용되는 경우가 있다. 예를 들어 '''액침 방식''' 즉 액체 냉매(전기 절연성이 높고 불활성인 플루오린계 액체, 상품명으로는 "플루리나트"(미국의 3M 제품) 등)에 기판군 전체를 담가서(침전시켜서) 냉각하는 수법이 사용되는 경우도 있다. 2010년대 후반부터는 '''상변화 방식'''(기화열을 이용하여 효율적으로 열을 확산시키는 방식)의 방열 기술 개발도 NEC 등에 의해 활발해지고 있다^[95]。

3. 1. 1. 공랭

케이스 등에 쿨링팬을 달아서 외부와 통풍을 통해 내부의 뜨거운 공기는 내보내고, 외부의 차가운 공기는 받아들이는 방법으로 내부 온도를 낮춰주는 냉각 방식이다.^[99] 집적 회로 (예: CPU 및 GPU)는 현대 컴퓨터의 주요 열 발생 장치이다. 효율적인 설계와 전압 및 주파수와 같은 작동 매개변수의 선택을 통해 열 발생을 줄일 수 있지만, 궁극적으로 허용 가능한 성능은 종종 상당한 열 발생을 관리해야만 달성할 수 있다.

작동 시 컴퓨터 부품의 온도는 주변으로 전달되는 열이 부품에서 생성되는 열과 같아질 때까지, 즉 열적 평형에 도달할 때까지 상승한다. 안정적인 작동을 위해서는 온도가 각 부품에 고유하게 지정된 최대 허용 값을 초과해서는 안 된다. 반도체의 경우, 부품 케이스, 방열판 또는 주변 온도보다는 순간적인 접합 온도가 중요하다.

냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지'''는 열 절연체 역할을 하고 공기 흐름을 방해하여 방열판 및 팬의 성능을 저하시킨다.
'''나쁜 공기 흐름'''에는 리본 케이블과 같은 방해 부품과의 마찰로 인한 난류, 또는 팬의 잘못된 방향으로 인해 케이스를 통과하는 공기의 양이 감소하고 케이스에 국소적인 소용돌이가 생길 수 있다. 열 설계가 잘못된 일부 장비의 경우, 냉각 공기가 뜨거운 부품 위를 통과하기 전에 "냉각" 구멍을 통해 쉽게 빠져나갈 수 있다. 이러한 경우 선택한 구멍을 막아 냉각을 개선할 수 있다.
'''열악한 열 전달'''은 냉각될 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 인해 발생한다. 이는 표면 결함을 평탄하게 하기 위해 열 화합물을 사용하거나 심지어 래핑하여 개선할 수 있다.

냉각 팬을 사용하여 공기를 이용하여 냉각하는 방식은 현대에 일반적인 방법이다. 방열판에 냉각 팬을 장착한 상태로 판매된다. 또한 방열판과 팬 모터가 일체화된 제품이나, 팬을 교체할 수 있는 제품도 있다.^[99]

시중에서 판매되는 CPU 제품에는 '''써멀 솔루션'''이라고 하여, 필요로 하는 냉각 성능을 보장하는 강제 공랭식 냉각 장치(리테일 쿨러)가 부속되어 있다. 특히 언급이 없는 한, 시판되는 개인용 컴퓨터에서 CPU 냉각에는 이 방식이 사용된다.^[99]

방열판 위에 팬을 배치하여 바람을 아래로 불어 냉각하는 "탑 플로우형"과, 방열판 측면에 팬을 배치하여 바람을 쐬는 "사이드 플로우형"이 있으며, 각각 장점과 단점이 있다. 히트 파이프를 이용하여 CPU와의 접촉면과 팬이 부착된 방열판을 떨어뜨려, 12cm나 14cm의 대형 팬을 2개 탑재한 사이드 플로우형 등도 등장하고 있다.^[99]

팬을 사용하기 때문에 바람 소리가 발생하므로, 제조사들은 정숙성도 중요시하여 팬 개발을 하고 있으며, 표준 부속품 외에도 다양한 제품이 판매되고 있으며, 그 중에는 유체역학이나 항공공학의 성과를 응용했다고 주장하는 것까지 존재한다. 예를 들어, 2009년에 후지 라이트 메탈이 출시한 "T-Shooter"는 4개의 원통을 묶은 모양의 방열판에 흡입 팬을 조합한 구조를 하고 있는데, 이는 열역학과 유체역학을 바탕으로 설계되었다고 한다.^[99]

2023년, Frore Systems가 팬을 사용하지 않고 박막을 초음파로 진동시켜 기류를 발생시키는 "솔리드 스테이트 액티브 냉각 시스템"을 발표했다.^[99]

또한 일반적으로 CPU의 냉각 장치는 케이스 내부에 있기 때문에, 공랭을 지속하기 위해서는 케이스 외부와의 지속적인 환기가 필요하다. 케이스에 설치한 팬(케이스 팬)에 의해 환기를 하는 것이 기본이지만, 효율을 높이기 위해 냉각 장치 근처에 환기구(패시브 덕트)를 설치하거나, 팬과 환기구를 덕트로 연결하거나, 냉각 장치가 외기에 직접 면하도록 레이아웃하는 등의 궁리가 있다(BTX 규격 등).^[99]

3. 2. 국부 냉각

컴퓨터 하드웨어에서 특정 부분의 온도를 낮추는 것을 국부 냉각이라고 한다. 주로 CPU, GPU, 칩셋 등 발열이 심한 부품의 냉각에 사용된다.

집적 회로(CPU, GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 발열원이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수 조절로 발열을 줄일 수 있지만, 높은 성능을 위해서는 상당한 열 관리가 필요하다.

컴퓨터 부품은 작동 시 온도가 주변으로 전달되는 열과 같아질 때까지, 즉 열적 평형 상태에 도달할 때까지 상승한다. 안정적인 작동을 위해서는 각 부품에 지정된 최대 허용 온도를 넘지 않아야 한다. 반도체의 경우, 부품 케이스, 방열판, 주변 온도보다 순간적인 접합 온도가 중요하다.

냉각 성능은 다음과 같은 요인으로 인해 저하될 수 있다.

'''먼지''': 열 절연체 역할을 하며 공기 흐름을 방해하여 방열판과 팬의 성능을 떨어뜨린다.
'''나쁜 공기 흐름''': 리본 케이블과 같은 방해물로 인한 난류, 팬의 잘못된 방향 등으로 인해 케이스를 통과하는 공기량이 감소하고 국소적인 소용돌이가 발생할 수 있다.
'''열악한 열 전달''': 냉각 대상 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 발생한다. 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.

CPU뿐만 아니라 집적 회로를 사용하는 전자 기기에서 발열이 심한데도 냉각을 소홀히 하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

과열로 인한 오작동. 특히 제어 불능 상태(폭주)를 "열폭주"라고 부르기도 한다.^[90]
발열 시의 열팽창과 사용 후 수축 반복으로 인한 수명 단축
(최악의 경우) 반도체로서의 열폭주나 고장, 파괴

충분한 냉각을 하지 않으면 일시적인 기능 부전, 영구적인 파괴, 수명 단축 등이 발생할 수 있다. 설계 수명보다 훨씬 빨리 고장날 가능성도 높아진다.

마이크로프로세서 CPU의 경우, B2B에서 거래되는 "벌크품"에는 CPU 쿨러가 포함되지 않는다. 일반 소비자용 "리테일 패키지"에는 충분한 성능을 보장하는 CPU 쿨러("리테일 쿨러", "정품 쿨러")가 동봉되며^[91], 제품에 따라 정품 외 쿨러와의 조합이 보증에서 제외되기도 한다. 조립 PC나 BTO PC에서는 냉각 능력이나 정숙성을 중시하는 사용자가 많아 교체용 서드 파티 CPU 쿨러가 많이 개발, 판매되고 있다. 2020년대에는 리테일 버전에서도 쿨러가 포함되지 않는 패키지도 나오고 있다.

조립 PC나 BTO PC에서는 통풍 방향에 따라야 할 마더보드상의 서브 기판이 그 방향을 따르지 않는 경우가 있다(예: 메모리 모듈 등). 반면 커스텀의 폭이 좁은 메이커 PC나 PC 서버 등에서는 폼 팩터에 얽매이지 않고 전체 최적의 설계가 보이는 경우도 많다.^[92]

개인용 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라 업무용 워크스테이션이나 서버에서도 냉각이 필요한 이유는 퍼스널 컴퓨터와 같지만, 시스템 전체의 냉각을 고려한 설계가 되어 있다.^[91]

;GPU의 냉각

GPU 등의 프로세서, 또는 더 많은 집적 회로에서 발열이 현저한 것의 냉각, 비디오 카드의 주로 GPU를 냉각하는 것을 "GPU 쿨러" 또는 "VGA 쿨러"라고 부른다.

동일한 GPU를 채용한 제품에서도 제조사에 따라 팬의 수가 1~3개로 다를 수 있다.

;게임 콘솔의 냉각

가정용 게임기에서도 CPU나 SoC가 고성능화되어 발열이 커질수록 강력한 냉각이 필요하게 되었다. 예를 들어 PlayStation 시리즈의 경우, 1994년 발매된 초대 PS는 자연 통풍 냉각만 있었지만, 2000년 발매된 PS2는 방열 핀, 팬, 배기구 등의 냉각 시스템이 내장되었다. 2022년 11월 발매된 PS5는 본체 내부에 직경 120mm 두께 45mm의 양면 흡기 팬이 장착되어 전면 2개의 벤트에서 흡기하고 후면 거의 전면의 슬릿에서 배기하는 구조이다. 히트싱크에 히트 파이프를 채용하고 (PS3, PS4보다) 대형이며, 형상과 에어 플로우를 개선하여 베이퍼 챔버 수준의 성능을 실현하고 있다고 한다. PS5의 SoC와 히트싱크 사이에는 액체 금속을 사용하고 있다.^[93]

;메인프레임 등의 냉각

1950년대부터 존재했던 메인프레임과 1960년대 중반에 등장한 슈퍼컴퓨터에서도 냉각이 필요하게 된 이유는 마찬가지이다. 원래 대형 컴퓨터밖에 없었던 시대, 컴퓨터는 열에 약했다. 메인프레임이 설치되는 머신 룸(컴퓨터 룸)은 20℃ 전후로 실온을 유지해야 한다고 규정된 기종이 많았던 역사가 있다.^[94](그 결과, 메인프레임 오퍼레이터는 추위를 견뎌야 했다). 20℃ 전후로 유지하는 냉방비만으로도 상당한 금액이 들었다. 스파컴이나 메인프레임 등에서는 퍼스널 컴퓨터와는 다른 냉각 방법도 채용된다. 예를 들어 액체 냉매(전기 절연성이 높고 불활성인 플루오린계 액체, 상품명 "플루리나트"(미국 3M 제품) 등)에 기판군 전체를 담가 냉각하는 '''액침 방식'''이 사용되기도 한다. 2010년대 후반부터는 기화열을 이용해 열을 확산시키는 '''상변화 방식'''의 방열 기술 개발도 NEC 등에 의해 활발해지고 있다.^[95]

3. 2. 1. 패시브 냉각

32비트 마이크로프로세서 모토로라 68040을 사용하여 25MHz로 작동하는 NeXTcube 컴퓨터(1990년)의 메인보드. 이미지 하단과 중앙에서 왼쪽으로 CPU에 직접 장착된 방열판을 볼 수 있다. CPU용 전용 팬은 없었다. 방열판이 있는 유일한 다른 IC는 RAMDAC (CPU에서 오른쪽)이다.

수동 방열판 냉각은 냉각이 필요한 부품에 가공 또는 압출된 금속 블록을 부착하는 것을 포함한다. 열 접착제를 사용할 수 있다. 개인용 컴퓨터 CPU의 경우, 일반적으로 클램프가 방열판을 칩 바로 위에 고정하고 그 사이에 열 그리스 또는 열 패드를 바른다. 이 블록에는 표면적을 늘리기 위해 핀과 능선이 있다. 금속의 열전도율은 공기보다 훨씬 좋으며 보호하려는 구성 요소(일반적으로 집적 회로 또는 CPU)보다 열을 더 잘 방출한다.^[99]

방열판의 금속 핀 사이에 먼지가 쌓이면 효율이 점차 감소하지만, 가스 먼지 제거기로 먼지와 기타 원치 않는 초과 물질을 날려버리면 이를 막을 수 있다.

수동 방열판은 구형 CPU, 매우 뜨거워지지 않는 부품(칩셋 등), 저전력 컴퓨터 및 내장 장치에서 흔히 발견된다. 많은 스마트폰은 방열판 없이 수동 냉각을 사용한다.

일반적으로 방열판은 CPU에 부착된 크고 평평한 플레이트인 집적 열 분산기(IHS)에 부착되며, 그 사이에 전도 페이스트가 층을 이룬다. 이것은 열을 국소적으로 소산하거나 분산시킨다. 방열판과 달리 확산기는 열을 제거하는 것이 아니라 재분배하기 위한 것이다. 또한 IHS는 깨지기 쉬운 CPU를 보호한다.

수동 냉각에는 팬 소음이 없으며, 대류 힘이 방열판 위로 공기를 이동시킨다.

냉각 팬 등을 사용하지 않고, 케이스 내의 자연 대류와 전원 장치나 케이스에 설치된 팬의 배기에 의한 부압을 이용한 환기를 통해 냉각하는 방법이다.

컴퓨터를 냉각하기 위한 장치나 부품을 전혀 사용하지 않고, 프로세서 표면에서 방열하는 방법이다. 스마트폰이나 태블릿을 비롯한 임베디드 기기의 프로세서에서 일반적이지만, 발열량이 많은 최근의 데스크톱 컴퓨터용 CPU에서는 불가능하다.

최근에는 표면 방열량을 늘릴 수 있는 CPU 설치 방법이 채택되는 경우가 있다. 예를 들어, 모바일 컴퓨터에서 CPU를 키보드와 평행하게 설치하고, 키보드 뒷면의 금속 프레임에 밀착시켜 여기에서 방열하는 방법이다. 다만 이러한 표면 냉각은, 극히 얇은 모바일 컴퓨터에서만 가능하며, 팬을 사용하는 냉각 장치에 비해 방열량도 제한적이다.

프로세서 표면에 방열판을 장착하여 열을 발산하는 방식이다. CPU 쿨러 전용 냉각팬을 사용하지 않고, 케이스의 흡·배기 팬이나 전원 장치에 부착된 방열 팬에 의해 발생하는 케이스 내부의 기류를 이용하여 방열판에 공기를 닿게 하여 냉각한다. 다른 냉각 방식에 비해 구조가 간단하고 무소음으로 냉각이 가능하지만, 발열이 높은 프로세서를 냉각하려면 거대한 방열판이 필요하다.

3. 2. 2. 액티브 냉각

집적 회로(CPU 및 GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 열 발생 장치이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수 선택으로 열 발생을 줄일 수 있지만, 허용 가능한 성능을 위해서는 상당한 열 발생을 관리해야 한다. 작동 시 컴퓨터 부품의 온도는 주변으로 전달되는 열이 부품에서 생성되는 열과 같아질 때까지 상승한다. 안정적인 작동을 위해서는 온도가 각 부품에 지정된 최대 허용 값을 초과해서는 안 된다.

냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지''': 열 절연체 역할을 하고 공기 흐름을 방해하여 방열판 및 팬의 성능을 저하시킨다.
'''나쁜 공기 흐름''': 리본 케이블과 같은 방해 부품과의 마찰로 인한 난류, 또는 팬의 잘못된 방향으로 인해 케이스를 통과하는 공기의 양이 감소하고 케이스에 국소적인 소용돌이가 생길 수 있다.
'''열악한 열 전달''': 냉각될 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 인해 발생한다. 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.

right 축적은 잦은 열 차단으로 인해 노트북을 사용할 수 없게 만들었다.]]

고온은 부품의 수명을 단축시키거나 영구적인 손상을 일으킬 수 있다. 제조사들은 온도가 안전한 한계 내에 유지되도록 추가적인 예방 조치를 취하는 경우가 많다. CPU, 마더보드, 칩셋 또는 GPU에 온도 센서가 통합된 컴퓨터는 고온이 감지되면 스스로 전원을 끌 수 있지만, 장기적인 안전한 작동을 완전히 보장하지는 못할 수 있다.^[1] 과열된 부품은 동적 주파수 조절 기술을 사용하여 "스로틀링"될 수 있다. 스로틀링은 집적 회로의 작동 주파수와 전압을 줄이거나 칩의 필수적이지 않은 기능을 비활성화하여 발열량을 줄이며, 성능이 감소하는 경우가 많다. 데스크톱 및 노트북 컴퓨터의 경우 스로틀링은 종종 BIOS 수준에서 제어된다.

사용자는 냉각기 및 케이스 팬을 육안으로 검사하여 교체하거나 청소할 수 있다. 또한 서멀 그리스를 정기적으로 교체하는 것도 예방 기술이다.^[2]

== 강제 공랭식 ==

컴퓨터 팬을 사용하여 열을 제거한다. 팬은 컴퓨터 케이스에 장착하거나, CPU, GPU, 칩셋, 전원 공급 장치(PSU), 하드 디스크 또는 확장 슬롯에 꽂는 카드 형태로 부착될 수 있다. 일반적인 팬 크기는 40, 60, 80, 92, 120, 140 mm가 있다. 200, 230, 250, 300 mm 팬은 고성능 개인용 컴퓨터에 사용되기도 한다.

=== CPU 쿨러 ===

CPU 제품에는 '''써멀 솔루션'''이라고 하여, 필요로 하는 냉각 성능을 보장하는 강제 공랭식 냉각 장치(리테일 쿨러)가 부속되어 있다.

방열판 위에 팬을 배치하여 바람을 아래로 불어 냉각하는 "탑 플로우형"과, 방열판 측면에 팬을 배치하여 바람을 쐬는 "사이드 플로우형"이 있으며, 각각 장점과 단점이 있다. 히트 파이프를 이용하여 CPU와의 접촉면과 팬이 부착된 방열판을 떨어뜨려, 12cm나 14cm의 대형 팬을 2개 탑재한 사이드 플로우형 등도 등장하고 있다.

팬을 사용하기 때문에 바람 소리가 발생하므로, 제조사들은 정숙성도 중요시하여 팬 개발을 하고 있으며, 표준 부속품 외에도 다양한 제품이 판매되고 있다. 2009년에 후지 라이트 메탈이 출시한 "T-Shooter"는 4개의 원통을 묶은 모양의 방열판에 흡입 팬을 조합한 구조를 하고 있는데, 이는 열역학과 유체역학을 바탕으로 설계되었다고 한다.

2023년, Frore Systems가 팬을 사용하지 않고 박막을 초음파로 진동시켜 기류를 발생시키는 "솔리드 스테이트 액티브 냉각 시스템"을 발표했다.

CPU의 냉각 장치는 케이스 내부에 있기 때문에, 공랭을 지속하기 위해서는 케이스 외부와의 지속적인 환기가 필요하다. 케이스에 설치한 팬(케이스 팬)에 의해 환기를 하는 것이 기본이다.

== 수냉식 ==

공기보다 열용량이 큰 물(냉각액)을 냉각에 사용하는 방법이다. CPU에 물을 순환시키는 헤드를 접촉시켜 열을 물로 가져가 외부 라디에이터에서 방산시킨다. 라디에이터에는 공랭 팬을 부착하여 냉각 능력을 높이는 경우가 많다. CPU 외에 GPU 냉각을 위한 키트도 시판되고 있다.

일반적으로 공랭식보다 고가이면서 복잡해지는 등의 이유로 간편하게 사용할 수 있는 것은 아니었다. 기술의 성숙으로 인해 신뢰성이 높아지고 가격도 공랭 쿨러와 큰 차이 없는 제품이 유통되면서, 냉각 성능의 높이에 더해 팬으로 인한 소음을 싫어하여 정숙성을 추구하는 사용자가 수냉식을 사용하는 경우가 많다.

컴퓨터 분야의 수냉은 "본격 수냉"과 "간이 수냉"으로 크게 나뉜다.^[107]^[108]

=== 본격 수냉 ===

대상 열을 냉각액(냉각수)에 전달하는 워터 블록, 냉각액을 보내는 전동 펌프, 냉각액을 저장해두는 리저버 탱크, 열 교환을 수행하는 라디에이터, 각 부품을 연결하는 호스(튜브) 및 그 피팅을 기본 구성 요소로 한다. 조립 시 호스를 각 부분에 맞는 길이로 절단하여 각 구성 기재를 연결하여 수냉 경로를 만들고, 에어 빼기도 해야 하는 등 수고가 필요하다. CPU뿐만 아니라 GPU, 마더보드, 메인 메모리, 드물게는 SSD나 전원 장치의 수냉화 등 적합한 워터 블록만 준비할 수 있다면 거의 모든 발열원에 대응한다. 설치 장소의 공간과 펌프의 능력이 허용하는 한 라디에이터의 증설·확장이 가능하기 때문에, 냉각 성능을 높이고 팬 속도를 낮춰 정숙성을 높일 수 있다.^[107]

초기에는 자동차나 오토바이의 수냉 시스템이나 수족관, 수도관 등 선행 분야의 부품을 유용·개조했지만, 2019년 현재는 전용으로 판매되는 부품을 이용하는 경우가 많다. 각 부품의 연결 부분은 관용 평행 나사 G 1/4인치가 디팩토 스탠다드로 널리 채용되고 있기 때문에, 피팅을 유용하여 부품 교체를 용이하게 할 수 있다. 또한, 특정 마더보드나 GPU 전용 워터 블록을 제외하고 부품의 범용성이 높아, 한 번 구입하면 적절한 유지 보수를 통해 수 세대에 걸쳐 사용할 수 있다. 공랭 CPU 쿨러와 마찬가지로, Socket AM4나 LGA1700 등의 치수에 호환성이 없는 소켓이 등장했을 때는 각 제조사에서 무상 또는 저가로 업그레이드 부품이 공급된다.

=== 간이 수냉 ===

간이 수냉 도입 예
CPU의 열을 수냉 헤드(중앙)에서 라디에이터(오른쪽)로 이동하여 방열한다.

2009년경부터 튜브 소재 등의 진화로 유지 보수가 필요 없게 되면서, 워터 블록, 호스, 펌프, 라디에이터 등이 일체화되어 냉각수가 봉입되어 간편하게 장착할 수 있는 1만 엔 전후의 간이형 수냉 쿨러 키트가 조립 컴퓨터 용도로 판매되고 있다. 2010년대 이후에는 이러한 간이 수냉형 쿨러가 1만 엔 이상의 하이엔드 CPU 쿨러 시장에서 일정한 시장을 형성하고 있다. "CPU 헤드"라고 불리는 워터 블록 부분을 고정한 후, 라디에이터 부분을 케이스에 고정하면 되기 때문에 컴퓨터 케이스 내에서만 수냉 경로가 완성되며, 사용자는 수냉 경로를 조립할 필요도 없고 냉각수 자체를 다루지 않아도 된다. 다만 많은 간이 수냉에는 리저버 탱크가 없기 때문에 CPU의 발열량에 따라 냉각액 전체의 온도가 올라가면 열 포화로 방열이 따라가지 못하게 되므로, PC의 환경과 구성에 맞는 라디에이터 사이즈의 제품이 바람직하다. 대부분의 제품이 유지 보수가 필요 없다고 하지만, 냉각수 교환이 불가능한 경우가 대부분이며, 냉각수의 휘발이나 내부 부식 등으로 성능이 저하되면 기재를 교체 및 폐기해야 한다.

2019년 현재 시장에 유통되는 제품의 거의 모든 것이 덴마크에 본사를 둔 Asetek에서 제조한 OEM이며, 각 회사는 Asetek의 기본 설계에 독자적인 커스터마이징을 하여 판매하고 있다.^[109] 이 회사는 간이 수냉에 관한 특허를 취득하고 있으며, 경쟁사인 캐나다의 CoolIt과 대만의 Cooler Master 등을 특허 침해로 제소하여, 모두 승소했다.^[110]^[111] 2013년에는 본격 수냉 제조사인 미국의 Swiftech 제품에도 경고를 하여, 이 회사는 미국에서의 판매를 중단했다.^[112] CPU의 워터 블록과 펌프를 일체화하는 구조가 특허 대상이 되기 때문에, Asetek과 OEM 계약을 맺지 않은 제조사는 라디에이터 쪽에 펌프를 장착하거나, 일부러 복잡한 구조를 취해 내부적으로 일체화되지 않은 구조로 함으로써 특허를 회피하고 있다.^[113]

2020년대부터는 화이트 박스 컴퓨터 제조사 중에서도 BTO용 부품이나 하이엔드 모델로 준비하는 곳이 나타나는 등, 보급이 진행되고 있다.

GPU 냉각에 CPU용 간이 수냉을 이용하는 경우도 있다.^[114]

수냉형 쿨러는 강제 공랭식 CPU 쿨러에서는 존재했던 팬에 의한 바람의 흐름이 제한적이 되기 때문에, 설치 상황에 따라 마더보드 상의 칩셋이나 메인 메모리 등 다른 부품 기재의 냉각이 소홀해질 가능성이 있으며, 도입 시에는 다른 냉각 기구와의 균형을 고려해야 한다.

노트북 컴퓨터에서도 수냉을 채용한 제품이 존재한다(예: 히타치 제작소・FLORA 270W 사이렌트 모델, 2002년 출시).^[115]

== 상변화 냉각 ==

컴퓨터 케이스에 소형 냉동기를 내장하여 냉매가 상전이 시 기화열을 이용하여 방열하는 방식이다. 마니아들이 직접 제작하는 것 외에도^[119], 이를 내장한 제품을 출하하는 제조사나, 컴퓨터 상점의 자체 브랜드 상품에 장착하여 판매하는 사례도 있다.

수냉보다 더 높은 냉각 효과를 얻을 수 있지만, 냉각 장치 자체가 비교적 크고 고가이며, 제습기 등을 유용하는 경우에도 대대적인 개조가 필요하다.^[119] 가정이나 사무실과 같은 일반적인 최종 사용자의 사용 환경에서는 공랭의 리테일 쿨러로 작동이 보장되며, 헤비 유저라도 간이 수냉으로 충분한 냉각이 가능하기 때문에, 컴퓨터에서는 일반적으로 사용되지 않는다.

3. 2. 3. 수랭

Water cooling^영어은 CPU 등에 펌프를 이용하여 물을 순환시켜 냉각하는 방식이다. 본체와 접촉하는 부분과 라디에이터 두 가지로 나뉜다. 공랭식 냉각에 비해 효과적인 쿨링 효과를 얻을 수 있으며, 초보자가 직접 설치하기 쉬운 일체형 수랭과 사용자가 직접 커스터마이징하는 커스텀 수랭으로 나뉜다. 일체형 수랭에는 냉각수가 기본으로 들어가 있고, 커스텀 수랭은 냉각수를 사용자가 직접 색을 바꾸거나 뺄 수 있다. 단, 커스텀 수랭은 기본 냉각수가 포함되어 있지 않다. 그래픽 카드에 일체형 수랭 기능이 포함된 제품도 출시되고 있다.

DIY 수냉식 냉각 구성으로 12 V 펌프, CPU 수냉 블록 및 T-라인의 일반적인 적용을 보여준다.

수냉식 냉각은 과도한 열을 제거하는 매우 효과적인 방법이며, 데스크톱 PC에서 가장 흔한 냉각수는 (증류)수이다. 수냉식 냉각이 공랭식 냉각보다 갖는 장점으로는 물의 더 높은 비열과 열전도율이 있다.

컴퓨터용 일반적인 (능동형) 수냉식 냉각 시스템에 사용되는 원리는 자동차의 내연 기관에 사용되는 원리와 동일하며, 물은 CPU (그리고 때로는 GPU 및 노스브리지와 같은 추가 구성 요소)에 장착된 워터 블록을 통해 워터 펌프로 순환하여 방열기인 열 교환기로 나간다.^[22] 방열기 자체는 일반적으로 컴퓨터 팬을 사용하여 추가로 냉각된다.^[22]

액체는 공기보다 냉각되는 부품에서 더 많은 열을 전달할 수 있으므로 수냉식 냉각은 오버클러킹 및 고성능 컴퓨터 응용 분야에 적합하다.^[31] 공랭식 냉각에 비해 수냉식 냉각은 주변 온도의 영향을 덜 받는다.^[32] 수냉식 냉각의 비교적 낮은 소음 수준은 상당히 시끄러워질 수 있는 공랭식 냉각에 비해 유리하다.

수냉식 냉각의 단점으로는 복잡성과 냉각수 누출 가능성이 있다. 누출된 물(및 물에 첨가된 모든 첨가제)은 접촉하는 전자 부품을 손상시킬 수 있으며, 누출을 테스트하고 수리해야 하므로 설치가 더 복잡해지고 신뢰성이 떨어진다.^[33]

원래 메인프레임 컴퓨터에 국한되었던 수냉식 냉각은 제조된 올인원(AIO) 키트 또는 개별적으로 수집된 부품으로 조립된 DIY 설정을 형태로 오버클러킹과 광범위하게 연관된 관행이 되었다.^[37] 최근 몇 년 동안 조립된, 중간에서 고성능 데스크톱 컴퓨터에서 수냉식 냉각의 인기가 높아졌다.

; 본격 수냉

CPU뿐만 아니라 GPU, 마더보드, 메인 메모리, 드물게는 SSD나 전원 장치의 수냉화 등 적합한 워터 블록만 준비할 수 있다면 거의 모든 발열원에 대응할 수 있다. 설치 장소의 공간과 펌프의 능력이 허용하는 한 라디에이터를 추가 설치하거나 확장하는 것이 가능하기 때문에, 냉각 성능을 높이고 팬 속도를 낮춰 소음을 줄일 수 있다.^[107]

; 간이 수냉

2009년경부터 튜브 소재 등의 진화로 유지 보수가 필요 없게 되면서, 워터 블록, 호스, 펌프, 라디에이터 등이 일체화되어 냉각수가 봉입되어 간편하게 장착할 수 있는 1만 엔 전후의 간이형 수냉 쿨러 키트가 조립 컴퓨터 용도로 판매되고 있다.

수냉형 쿨러는 강제 공랭식 CPU 쿨러에서 존재했던 팬에 의한 바람의 흐름이 제한적이 되기 때문에, 설치 상황에 따라 마더보드 상의 칩셋이나 메인 메모리 등 다른 부품의 냉각이 소홀해질 가능성이 있다. 따라서 수냉형 쿨러를 도입할 때에는 다른 냉각 기구와의 균형을 고려해야 한다.

노트북 컴퓨터에서도 수냉을 채용한 제품이 존재한다(예: 히타치 제작소・FLORA 270W 사일런트 모델, 2002년 출시)^[115]

3. 2. 4. 히트파이프 냉각

히트 파이프는 열 전달 액체를 포함하는 속이 빈 튜브이다. 액체는 열을 흡수하고 파이프의 한쪽 끝에서 증발한다. 증기는 튜브의 다른 (더 차가운) 끝으로 이동하여 응축되어 잠열을 방출한다. 액체는 중력 또는 모세관 현상에 의해 튜브의 뜨거운 쪽 끝으로 돌아가서 사이클을 반복한다. 히트 파이프는 고체 재료보다 훨씬 높은 유효 열전도율을 갖는다. 컴퓨터에서 사용하기 위해 CPU의 방열판은 더 큰 라디에이터 방열판에 부착된다. 두 방열판 모두 속이 비어 있으며, 그 사이의 부착물도 마찬가지여서 CPU에서 라디에이터로 열을 전달하는 하나의 큰 히트 파이프가 생성되고, 이 라디에이터는 일부 기존 방법을 사용하여 냉각된다. 이 방법은 소형 폼 팩터 PC와 노트북과 같이 공간이 좁거나 오디오 제작과 같이 팬 소음을 허용할 수 없는 경우에 일반적으로 사용된다. 이 냉각 방법의 효율성으로 인해 많은 데스크탑 CPU와 GPU, 그리고 하이엔드 칩셋은 안전한 작동 온도를 유지하기 위해 능동적인 팬 기반 냉각 및 수동 방열판 외에도 히트 파이프 또는 베이퍼 챔버를 사용한다. 베이퍼 챔버는 히트 파이프와 동일한 원리로 작동하지만 파이프 대신 슬래브 또는 시트 형태를 취한다. 히트 파이프는 위쪽에 수직으로 배치되어 베이퍼 챔버의 일부를 형성할 수 있다. 베이퍼 챔버는 하이엔드 스마트폰에서도 사용될 수 있다.^[1]

열전도율이 높은 히트 파이프를 사용하여 칩의 열을 이동시키는 방법이다. 금속보다 빠르게 열을 멀리 이동시킬 수 있어 얇고 많은 핀이나 측면을 사용하여 표면적을 늘릴 수 있으며, 방열부의 효율을 높일 수 있다.

크기나 부품 배치에 제약이 많은 노트북 등에서도 충분히 냉각하기 쉬워진다. 또한, 케이스 내 공간이 넓은 타워형 케이스에서는 히트 파이프를 사용함으로써 대형 쿨러에서도 즉시 히트싱크 전체로 열을 전달할 수 있어 냉각 성능이 향상되며, 고속 팬을 사용한 오버클럭 또는 대형 저속 팬을 사용하여 소음 감소가 용이해진다.

3. 2. 5. 액체 침지 냉각

컴퓨터의 열 밀도가 증가함에 따라, 컴퓨터 전체 또는 일부 부품을 열전도성이 있지만 전기 전도도는 없는 액체에 담그는 방식이 주목받고 있다. 개인용 컴퓨터 냉각에는 거의 사용되지 않지만,^[8] 액체 침수는 배전 변압기와 같은 대형 전력 분배 구성 요소를 냉각하는 일반적인 방법이며, 데이터 센터에서도 인기를 얻고 있다.^[9]^[10]

이러한 방식으로 냉각되는 개인용 컴퓨터는 팬이나 펌프가 필요하지 않을 수 있으며, 컴퓨터 하드웨어와 해당 하드웨어가 놓이는 인클로저 간의 수동 열 교환을 통해서만 냉각될 수 있다.^[10]^[11] 그러나 열교환기(예: 히터 코어 또는 라디에이터)가 여전히 필요할 수 있으며 배관도 올바르게 배치해야 한다.^[12]

사용되는 냉각수는 컴퓨터의 정상적인 작동을 방해하지 않을 만큼 충분히 낮은 전기 전도도를 가져야 한다. 액체가 약간이라도 전도성이 있으면 구성 요소 또는 트레이스 사이에 단락이 발생하여 영구적으로 손상될 수 있다.^[13] 이러한 이유로 액체는 절연체(유전체)여야 하며 전기를 전도하지 않아야 한다.

이 목적을 위해 변압기 오일, 3M Fluorinert 또는 3M Novec과 같은 합성 단상 및 이중상 유전체 냉각제를 포함한 다양한 액체가 존재한다. 요리용, 모터용 및 실리콘 오일을 포함한 비목적 오일은 개인용 컴퓨터 냉각에 성공적으로 사용되었다.

침수 냉각에 사용되는 일부 유체, 특히 광유, 요리용 오일 및 유기 에스테르와 같은 탄화수소 기반 물질은 고무, 폴리염화비닐(PVC) 및 써멀 그리스와 같이 컴퓨터에 사용되는 일부 일반적인 재료를 저하시킬 수 있다. 따라서 사용 전에 이러한 유체의 재료 호환성을 검토하는 것이 중요하다. 특히 광유는 PVC 및 고무 기반 전선 절연에 부정적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다.^[14] 프로세서 및 그래픽 카드에서 방열판으로 열을 전달하는 데 사용되는 써멀 페이스트는 일부 액체에서 용해되는 것으로 보고되었지만, 구성 요소가 제거되어 공기 중에서 작동하지 않는 한 냉각에 미치는 영향은 미미하다.^[15]

특히 2상 냉각제의 경우 증발이 문제를 야기할 수 있으며,^[16] 액체는 정기적으로 채워야 하거나 컴퓨터 인클로저 내부에 밀봉해야 할 수 있다. 침수 냉각은 공랭식의 1.35에 비해 1.05의 매우 낮은 PUE 값을 허용하고, 공랭식이 일반적으로 최대 23 KW를 처리하는 것과 달리 19인치 랙당 최대 100 KW의 컴퓨팅 전력(열 방출, TDP)을 허용할 수 있다.^[17]

수냉과는 달리 CPU나 마더보드, 기타 부품을 포함하여 직접 냉각액에 담그는 방식과 방수 케이스에 수납하여 담그는 방식의 두 종류가 있다. 열원에 직접 냉각액을 접촉하여 열을 배출할 수 있으므로 냉각 성능이 매우 높다. 냉각액으로는 불소계 불활성 액체나 오일 등 비전도성 액체가 사용되며, 직접 수몰하는 경우에는 부품에 냉각액이 침투하지 않도록 코팅된 것 등이 사용된다. 주로 데이터 센터의 서버나 슈퍼컴퓨터 등 높은 냉각 성능을 요구하는 용도에서 사용된다.

일반 가정에서는 거의 사용되지 않지만, 소량 판매되는 전용 PC나 키트는 매우 고가이다. 직접 제작하는 경우에는 어류용 수조에 정제수나 오일을 채워 부품 일체를 담그는 경우가 많으며, 매니아가 공개한 자료나 PC 숍의 전시품 등에서 볼 수 있다. 시판품 중 수몰을 상정한 부품은 거의 존재하지 않으므로 장기적인 운용은 어려우며, 비용이나 유지 보수성도 좋지 않아 수냉 이상으로 진입 장벽이 높다.

자연 환경에서 수중 데이터 센터를 실현하기 위한 검증 실험이 정부와 민간에서 진행되고 있다. 냉각에 호수나 해수를 사용함으로써 대규모 냉각 시설과 토지가 불필요해지고, 공조를 구동하기 위한 전기 요금을 절감할 수 있으며, 사람이 내부에 들어가지 않으므로 사고율도 지상보다 낮다는 장점이 있다.^[116]

마이크로소프트(Microsoft)는 나틱 계획을 통해 전용 컨테이너 내에 서버를 수납하고, 냉각을 해수로 하는 해중 데이터 센터의 검증 실험을 진행하고 있다.^[117]

국립정보학연구소에서는 전용 컨테이너를 사용하지 않고, 직접 마더보드를 해중이나 호수에 담그는 검증 실험을 하고 있다. 시판 부품을 파릴렌 수지로 코팅하여 수돗물을 넣은 수조 안에서 3개월간의 가동에 성공했다.^[118]

3. 2. 6. 펠티어 (열전) 냉각

펠티어 접합(열전 소자)은 펠티어 효과를 이용한 얇은 냉각 소자이다. CPU에 접하는 면에서 흡수한 열을 반대쪽 면으로 이동시킨다. 소자 자체만으로는 냉각 장치로 작동하지 않으므로(단순한 히터가 된다), 공랭 또는 수랭 냉각 장치를 함께 사용하여 방열 효율을 높이거나, 외부 공기보다 낮은 온도를 만들기 위해 사용된다.

펠티어 접합은 일반적인 냉장고(카르노 사이클)보다 효율이 약 10~15%에 불과하며, 이는 기존 압축 사이클 시스템(압축/팽창을 사용하는 역 랭킨 시스템)의 40~60%에 비해 낮다.^[19] 이러한 낮은 효율 때문에 열전 냉각은 일반적으로 고체 상태 특성(이동 부품 없음, 낮은 유지 보수, 소형 크기 및 방향에 대한 무관심)이 순수한 효율보다 중요한 환경에서만 사용된다.

최신 TEC는 수십 또는 수백 개의 열전쌍이 서로 옆에 배치된 여러 개의 적층 장치를 사용하며, 이를 통해 상당한 양의 열 전달이 가능하다. 비스무트와 텔루륨의 조합이 열전쌍에 가장 일반적으로 사용된다.

TEC는 전력을 소비하는 액티브 열 펌프로, 수동 방열판, 라디에이터 냉각 액체 냉각, 히트파이프 HSF로는 불가능한 주변 온도 이하의 온도를 생성할 수 있다. 그러나 열을 펌핑하는 동안 펠티어 모듈은 일반적으로 펌핑되는 열량보다 더 많은 전력을 소비한다.

또한 펠티어 소자를 고압 냉매(2상 냉각)와 함께 사용하여 CPU를 냉각할 수도 있다.^[20]^[21]

컴퓨터에서는 i486와 펜티엄 (초대) 시대에 유행했지만, 펠티어 소자 자체가 상당한 전력을 소비하고 발열한다는 점, 너무 냉각하면 결로가 발생한다는 사용상의 불편함, 그리고 공랭 장치의 성능 향상으로 펠티어 소자의 우위성이 사라진 등의 이유로 쇠퇴하여, 현재는 오버클러커 등 일부 매니아들이 사용하는 데 그치고 있다.

2020년에는 앞서 언급한 약점을 하드웨어 및 소프트웨어로 해결하려는 제품을 인텔(Intel)이 기획^[123]했고, CPU 쿨러 제조사들이 규격에 준수한 제품을 출시하고 있다.^[124]^[125] 하지만, 지원하는 메인보드는 제한적이며, 모듈 자체의 소비 전력도 매우 높다.

3. 2. 7. 액체 질소/액체 헬륨 냉각

CPU 바로 위에 액체 질소나 드라이아이스를 넣는 구리로 만든 통 등을 사용하여 방열하는 방법이다.^[120] 극저온 상태에서 극단적인 오버클럭을 할 수 있어 '''극냉'''이라고 불린다.^[120]

극저온을 유지함으로써 오버클럭 시의 냉각 효율을 높일 수 있지만, 결로 방지 대책에 신경 쓸 필요가 있으며, 수건을 깔거나 마더보드를 코팅하는 등의 조치가 이루어진다.^[120] 냉매 자체도 소모품이어서 운용 비용이 많이 들기 때문에, 벤치마크 경기에서의 극단적인 오버클럭 시 이용이 일반적이며, 개인이 상시 사용하는 경우는 극히 드물다.

액체 질소는 -196°C에서 끓는데, 이는 물의 어는점보다 훨씬 낮기 때문에 짧은 오버클럭 세션을 위한 극단적인 냉각제로서 가치가 있다. 액체 질소 냉각의 일반적인 설치에서 구리 또는 알루미늄 파이프가 프로세서 또는 그래픽 카드 위에 장착된다. 시스템이 결로로부터 심하게 단열된 후 액체 질소가 파이프에 부어지면 -100°C 이하의 온도가 된다.

파이프가 부착된 잘린 방열판에서 맞춤형으로 가공된 구리 용기에 이르기까지 다양한 증발 장치가 질소를 담고 대규모 온도 변화를 방지하는 데 사용된다. 그러나 질소가 증발하면 다시 채워야 한다. 개인용 컴퓨터의 영역에서 이 냉각 방식은 CPU가 내부 온도 변화로 인한 온도 스트레스로 인해 비교적 짧은 시간 내에 일반적으로 고장나기 때문에 오버클러킹 시험 운영 및 기록 경신 시도 이외의 맥락에서는 거의 사용되지 않는다.

액체 질소는 가연성이 없지만 공기에서 직접 산소를 응축시킬 수 있다. 액체 산소와 가연성 물질의 혼합물은 위험하게 폭발적일 수 있다.

액체 질소 냉각은 일반적으로 프로세서 벤치마킹에만 사용되는데, 이는 지속적인 사용으로 인해 컴퓨터의 하나 이상의 부품에 영구적인 손상이 발생할 수 있으며, 부주의하게 취급할 경우 사용자에게도 피해를 입혀 동상을 유발할 수 있기 때문이다.

액체 헬륨은 액체 질소보다 더 차가우며 냉각에 사용되기도 한다. 액체 헬륨은 -269°C에서 끓으며, 방열판에서 -230°C 에서 -240°C 범위의 온도가 측정되었다.^[45] 하지만 액체 헬륨은 액체 질소보다 비싸고 보관 및 사용이 더 어렵다. 또한, 극저온은 집적 회로의 작동을 멈추게 할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기반 반도체는 약 -233°C에서 작동을 멈춘다.^[46]

2018년에 열린 오버클럭 대회에서는 실제로 이러한 냉각 방법을 사용한 오버클럭이 진행되었다. 당시에는 스펀지나 종이 타월이 사용되었다.^[121]

필요한 부품은 직접 제작하는 경우가 많지만,^[120] 키트도 판매되고 있다.^[122]

4. 기타 냉각 기술

GE에서 특허를 낸 "이중 압전 냉각 제트"는 진동을 이용하여 장치를 통해 공기를 펌핑하는 기술이다. 이 장치는 두께가 3mm이며, 양쪽에 압전 세라믹 조각으로 연결된 두 개의 니켈 디스크로 구성된다. 세라믹 부품에 교류 전류가 흐르면 초당 최대 150번까지 팽창 및 수축하여 니켈 디스크가 벨로우즈처럼 작동한다. 수축하면 디스크의 가장자리가 벌어져 뜨거운 공기를 흡입하고, 팽창하면 니켈 디스크가 함께 모여 고속으로 공기를 배출한다.^[7]

이 장치는 베어링이 없고 모터가 필요 없으며, 일반적인 팬보다 얇고 에너지 소비가 적다. 크기가 두 배인 냉각 팬과 동일한 양의 공기를 이동시킬 수 있으면서도 전력 소비는 절반이고 비용은 더 적게 든다.^[7]

4. 1. 정전기 공기 이동 및 코로나 방전 효과 냉각

크로노스(Kronos)사와 손 마이크로 테크놀로지스(Thorn Micro Technologies)에서 개발 중인 냉각 기술은 이온풍 펌프(정전 유체 가속기라고도 함)라는 장치를 사용한다. 이온풍 펌프의 기본 작동 원리는 주변 공기의 이온화로 인해 충전된 도체 근처에서 발생하는 전기 방전인 코로나 방전이다.

크로노스가 개발한 코로나 방전 냉각기는 다음과 같이 작동한다. CPU의 한쪽에 배치된 음극의 끝에서 고전압 전기장이 생성된다. 높은 에너지 전위는 공기 중의 산소와 질소 분자를 이온화(양전하)하여 코로나(하전 입자의 후광)를 생성한다. CPU 반대편에 접지된 양극을 배치하면 코로나의 하전된 이온이 양극을 향해 가속되어 가는 동안 중성 공기 분자와 충돌한다. 이러한 충돌 과정에서 운동량은 이온화된 가스에서 중성 공기 분자로 전달되어 가스가 양극으로 이동하게 된다.

코로나 기반 냉각기의 장점은 가동 부품이 없어 특정 신뢰성 문제를 제거하고 거의 무소음 수준으로 작동하며 적당한 에너지 소비를 한다는 것이다.^[41]

4. 2. 소프트 냉각

소프트 냉각은 소프트웨어를 활용하여 전력 관리 기술을 통해 에너지 사용을 최소화하는 방법이다. 이는 사용하지 않는 CPU 하위 부품을 끄거나 대기 상태로 전환하는 HLT (x86 명령어) 명령어를 사용하거나, CPU를 언더클럭킹하여 수행된다. 총 속도가 감소하지만, CPU를 사용자 경험을 개선하기 위해 오버클럭킹하여 순수한 처리 능력을 증가시키는 것보다 유용할 수 있다. 이는 소음이 더 큰 냉각 장치의 필요성을 방지할 수 있기 때문이다. 용어와는 반대로, 이것은 냉각의 형태가 아니라 열 발생을 줄이는 방법이다.^[1]

4. 3. 언더볼팅

언더볼팅은 CPU나 GPU 등의 부품을 제조사에서 지정한 전압보다 낮은 전압으로 작동시키는 것을 말한다. 언더볼팅을 하면 부품의 전력 소비가 줄어들어 발열량이 감소한다. 이 기능은 제조업체, 제품 라인, 심지어 동일 제품의 서로 다른 생산 실행(및 시스템의 다른 구성 요소)에 따라 다르지만, 프로세서는 종종 엄격하게 필요한 것보다 높은 전압을 사용하도록 지정된다. 이러한 공차는 프로세서가 저품질 마더보드 또는 낮은 전원 공급 장치 전압과 같은 최적의 조건이 아닌 환경에서도 올바르게 작동할 가능성을 높여준다. 특정 한계 미만에서는 프로세서가 제대로 작동하지 않지만, 과도한 언더볼팅은 일반적으로 영구적인 하드웨어 손상으로 이어지지는 않는다(오버볼팅과는 달리).^[1]

언더볼팅은 저소음 PC에 사용되는데, 열 발생 감소로 인해 냉각이 덜 필요하므로 소음이 심한 팬을 제거할 수 있기 때문이다. 또한 배터리 충전 수명을 최대화해야 할 때도 사용된다.

4. 4. 칩 통합 냉각

집적 회로(CPU 및 GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 열 발생 장치이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수(전압, 주파수 등) 선택을 통해 열 발생을 줄일 수 있지만, 허용 가능한 성능을 위해서는 상당한 열 발생을 관리해야 한다.

작동 시 컴퓨터 부품의 온도는 주변으로 전달되는 열이 부품에서 생성되는 열과 같아질 때까지(즉, 열적 평형에 도달할 때까지) 상승한다. 안정적인 작동을 위해서는 온도가 각 부품에 지정된 최대 허용 값을 초과해서는 안 된다. 반도체의 경우, 부품 케이스, 방열판, 주변 온도보다는 순간적인 접합 온도가 중요하다.

냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지''': 열 절연체 역할을 하고 공기 흐름을 방해하여 방열판 및 팬의 성능을 저하시킨다.
'''나쁜 공기 흐름''': 리본 케이블과 같은 방해 부품과의 마찰로 인한 난류, 또는 팬의 잘못된 방향으로 인해 케이스를 통과하는 공기의 양이 감소하고 케이스에 국소적인 소용돌이가 생길 수 있다. 열 설계가 잘못된 경우, 냉각 공기가 뜨거운 부품 위를 통과하기 전에 "냉각" 구멍을 통해 빠져나갈 수 있다. 이러한 경우 선택한 구멍을 막아 냉각을 개선할 수 있다.
'''열악한 열 전달''': 냉각될 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 인해 발생한다. 이는 표면 결함을 평탄하게 하기 위해 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.

기존의 냉각 기술은 "냉각" 구성 요소를 컴퓨터 칩 패키지 외부에 부착한다. 이러한 "부착" 기술은 항상 어느 정도의 열 저항을 나타내 효율성을 감소시킨다. 칩의 국소적인 열점, 즉 패키지 내부를 직접 냉각함으로써 열을 보다 효율적이고 빠르게 제거할 수 있다. 이러한 위치에서는 300W/cm2 이상의 전력 소모가 발생할 수 있으며 (일반적인 CPU는 100W/cm2 미만), 향후 시스템은 1000W/cm2를 초과할 것으로 예상된다.^[42] 이러한 형태의 국소 냉각은 고전력 밀도 칩을 개발하는 데 필수적이다. 이러한 발상은 냉각 요소를 컴퓨터 칩에 통합하는 연구로 이어졌다. 현재 두 가지 기술이 있다: 마이크로 채널 히트싱크와 제트 충돌 냉각.

마이크로 채널 히트싱크에서는 채널이 실리콘 칩(CPU)에 제작되고 냉각수가 채널을 통해 펌핑된다. 이 채널은 매우 넓은 표면적으로 설계되어 대량의 열 전달이 가능하다. 이 기술로 3000W/cm2의 열 발산이 보고되었다.^[43] 2상 유동 냉각을 적용하면 열 발산을 더욱 증가시킬 수 있다. 불행히도 이 시스템은 작은 채널로 인해 큰 압력 강하가 필요하며, 전자 냉각에 사용되는 유전체 냉각제의 열 유속은 더 낮다.

또 다른 국소 칩 냉각 기술은 제트 충돌 냉각이다. 이 기술에서는 냉각수가 작은 구멍을 통해 흘러 제트를 형성한다. 제트는 CPU 칩 표면을 향하고 있으며 대량의 열 유속을 효과적으로 제거할 수 있다. 1000W/cm2 이상의 열 발산이 보고되었다.^[44] 이 시스템은 마이크로 채널 방식에 비해 낮은 압력에서 작동할 수 있다. 2상 유동 냉각을 사용하고 반환 유동 채널을 통합(마이크로 채널 히트싱크와 제트 충돌 냉각의 하이브리드)하여 열 전달을 더욱 증가시킬 수 있다.

4. 5. 상변화 냉각

상변화 냉각은 프로세서를 냉각하는 매우 효과적인 방법이다. 증기 압축 상변화 냉각기는 일반적으로 PC 아래에 위치하며 프로세서로 이어지는 튜브가 있다. 장치 내부에는 에어컨과 동일한 유형의 압축기가 있다. 압축기는 증발기(CPU 쿨러)에서 나오는 가스(또는 가스 혼합물)를 압축한다. 매우 뜨겁고 고압의 증기는 응축기(열 방산 장치)로 밀려 들어가 뜨거운 가스에서 액체로 응축된다. 일반적으로 응축기 출구에서 과냉각된 후 액체는 팽창 장치(시스템의 제한)로 공급되어 압력이 떨어지고 유체가 증발한다(원하는 온도에서 끓을 수 있는 압력에 도달). 사용되는 팽창 장치는 단순한 모세관 튜브에서 더 정교한 열팽창 밸브까지 다양하다. 액체는 증발하면서(상 변화) 프로세서에서 열을 흡수하고, 이 변화를 수용하기 위해 주변 환경에서 추가 에너지를 끌어오면서(잠열 참조) 온도가 -15°C에서 -150°C까지 도달할 수 있다. 액체는 CPU를 냉각시키면서 증발기로 흐르고, 저압에서 증기로 변한다. 증발기의 끝에서 이 가스는 압축기로 흘러가고 주기가 다시 시작된다. 이 방식으로 프로세서는 부하, 프로세서의 와트 수, 냉동 시스템(냉동 참조) 및 사용된 가스 혼합물에 따라 -15°C에서 -150°C 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 이러한 유형의 시스템은 여러 가지 문제(비용, 무게, 크기, 진동, 유지 보수, 전기 비용, 소음, 특수 컴퓨터 타워 필요)를 겪지만, 주로 이슬점과 모든 주변 온도 이하 표면의 적절한 단열에 대해 걱정해야 한다(파이프에 물방울이 맺히고 민감한 전자 장치에 물이 떨어집니다).^[4]

또는, 열사이폰 루프에 펌프를 삽입하여 새로운 종류의 냉각 시스템이 개발되고 있다. 이를 통해 설계 엔지니어는 열원을 효과적으로 제거하고 회수하거나 주변 환경으로 발산할 수 있으므로 설계 유연성이 더욱 향상된다. 접합 온도 조절은 시스템 압력을 조정하여 가능하며, 압력이 높을수록 유체 포화 온도가 높아진다. 이를 통해 더 작은 응축기, 더 작은 팬 및/또는 고온 환경에서 열을 효과적으로 발산할 수 있다. 이러한 시스템은 본질적으로 차세대 유체 냉각 패러다임이며, 단상 물보다 약 10배 더 효율적이다. 이 시스템은 열 수송 매체로 유전체를 사용하므로 누출이 발생하더라도 전기 시스템이 치명적으로 손상되지 않는다.^[4]

이러한 유형의 냉각은 장치가 일반 데스크톱에 비해 상대적으로 비싸기 때문에 구성 요소를 냉각시키는 더 극단적인 방법으로 간주된다. 또한 본질적으로 냉장고이므로 상당한 양의 소음을 발생시킨다. 그러나 압축기 선택과 공기 냉각 시스템이 이를 결정하는 주요 요소이므로 선택한 부품에 따라 소음 감소에 대한 유연성을 제공한다.^[4]

5. 냉각 최적화

집적 회로(CPU, GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 발열 장치이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수 선택으로 열 발생을 줄일 수 있지만, 허용 가능한 성능을 위해서는 상당한 열 관리가 필요하다.

right 축적은 잦은 열 차단으로 인해 노트북을 사용할 수 없게 만들었다.]]

작동 시 컴퓨터 부품의 온도는 주변으로 전달되는 열이 부품에서 생성되는 열과 같아질 때까지, 즉 열적 평형에 도달할 때까지 상승한다. 안정적인 작동을 위해서는 온도가 각 부품에 지정된 최대 허용 값을 초과해서는 안 된다. 반도체의 경우, 부품 케이스, 방열판, 주변 온도보다는 순간적인 접합 온도가 중요하다.

냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지:''' 열 절연체 역할을 하고 공기 흐름을 방해하여 방열판 및 팬 성능을 저하시킨다.^[2]
'''나쁜 공기 흐름:''' 리본 케이블과 같은 방해 부품과의 마찰로 인한 난류, 팬의 잘못된 방향으로 인해 케이스를 통과하는 공기량 감소 및 국소적인 소용돌이가 생길 수 있다. 열 설계가 잘못된 경우, 냉각 공기가 뜨거운 부품을 지나기 전에 "냉각" 구멍을 통해 빠져나갈 수 있는데, 이때 구멍을 막아 냉각을 개선할 수 있다.
'''열악한 열 전달:''' 냉각될 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 인해 발생한다. 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.^[2]

프로세서 표면에서 직접 방열하는 방식은 스마트폰, 태블릿 등 임베디드 기기에서는 일반적이지만, 발열량이 많은 최신 데스크톱 컴퓨터용 CPU에서는 불가능하다. 최근에는 표면 방열량을 늘리기 위해 CPU를 키보드와 평행하게 설치하고 키보드 뒷면 금속 프레임에 밀착시키는 방법(모바일 컴퓨터)이 채택되기도 하지만, 얇은 모바일 컴퓨터에서만 가능하며 방열량도 제한적이다.

프로세서 표면에 방열판을 장착하여 열을 발산하는 방식은 CPU 쿨러 전용 냉각팬 없이 케이스 흡·배기 팬, 전원 장치 방열 팬 등에 의해 발생하는 케이스 내부 기류를 이용한다. 구조가 간단하고 무소음 냉각이 가능하지만, 발열이 높은 프로세서를 냉각하려면 거대한 방열판이 필요하다. 밀봉이 필요한 산업용 PC에서는 방열판을 금속제 케이스에 접촉시켜 외부로 방열하기도 한다.^[99]

냉각 팬과 방열판을 함께 사용하는 강제 공랭 방식은 현대에 일반적이다. 시판 CPU에는 '써멀 솔루션'이라 불리는 강제 공랭식 냉각 장치(리테일 쿨러)가 부속되어 있으며, 별도 언급이 없으면 개인용 컴퓨터 CPU 냉각에 이 방식이 사용된다. 방열판 위에 팬을 배치하여 바람을 아래로 보내는 "탑 플로우형"과 측면에 배치하여 바람을 쐬는 "사이드 플로우형"이 있으며, 히트 파이프를 이용해 CPU 접촉면과 팬이 부착된 방열판을 분리한 형태(대형 팬 2개 탑재)도 있다. 팬 소음 발생 때문에 제조사들은 정숙성도 중요시하며, 유체역학, 항공공학 성과를 응용했다고 주장하는 제품도 있다. (예: 2009년 후지 라이트 메탈 "T-Shooter") 2023년에는 Frore Systems가 박막을 초음파로 진동시켜 기류를 발생시키는 "솔리드 스테이트 액티브 냉각 시스템"을 발표했다.

CPU 냉각 장치는 케이스 내부에 있기 때문에, 공랭 유지를 위해 케이스 외부와의 지속적인 환기가 필요하다. 케이스 팬을 통한 환기가 기본이지만, 효율을 위해 냉각 장치 근처에 환기구(패시브 덕트)를 설치하거나, 팬과 환기구를 덕트로 연결하거나, 냉각 장치가 외기에 직접 면하도록 하는 경우도 있다(BTX 규격 등).

공기보다 열용량이 큰 물(냉각액)을 사용하는 수냉 방식은 CPU에 물을 순환시키는 헤드를 접촉시켜 열을 물로 가져간 뒤 외부 라디에이터에서 방산시킨다. 라디에이터에 공랭 팬을 부착하여 냉각 능력을 높이기도 한다. CPU 외 GPU 냉각 키트도 시판된다. 대형 범용기에 보급된 방법이지만, 일반 컴퓨터에는 구성 부품이 많고 규모가 크며, 정기 유지 보수가 필요하고 누수 시 부품 파괴 위험이 있다.

일반적으로 공랭식보다 고가이고 복잡하여 간편하게 사용하기 어려웠으나, 기술 성숙으로 신뢰성이 높아지고 가격 차이가 줄면서, 냉각 성능과 정숙성을 추구하는 사용자들이 수냉식을 사용하기도 한다. 컴퓨터 분야 수냉은 "본격 수냉"과 "간이 수냉"으로 나뉜다.^[107]^[108]

수냉형 쿨러는 강제 공랭식 CPU 쿨러와 달리 팬에 의한 바람 흐름이 제한적이어서, 설치 상황에 따라 마더보드 칩셋, 메인 메모리 등 다른 부품 냉각이 소홀해질 수 있으므로, 도입 시 다른 냉각 기구와의 균형을 고려해야 한다. 노트북 컴퓨터에서도 수냉 채용 제품이 존재한다(예: 히타치 제작소・FLORA 270W 사이렌트 모델, 2002년 출시).^[115]

냉각 효율을 높이기 위해 보조적인 수단들이 사용된다.

5. 1. 열전도성 화합물 (서멀 컴파운드)

서멀 컴파운드는 열 인터페이스 재료(TIM)라고도 불린다.^[47]

서멀 컴파운드는 CPU, GPU 또는 열을 발생시키는 구성 요소에서 방열판 쿨러로의 열 전도성을 향상시키는 데 일반적으로 사용된다. (왼쪽 상단부터 시계 반대 방향: Arctic MX-2, Arctic MX-4, Tuniq TX-4, Antec Formula 7, Noctua NT-H1).

완벽하게 평평한 표면끼리 접촉하면 최적의 냉각을 제공하지만, 완벽한 평탄도와 미세한 공극이 없는 상태는 특히 대량 생산 장비에서는 실제로 불가능하다. 서멀 컴파운드는 공기보다 훨씬 열 전도성이 높지만 금속보다는 낮아, 얇게 도포하여 공극을 채우고 열 접촉과 냉각을 개선할 수 있다. 틈새를 채우기에 충분한 양의 화합물만 사용해야 최상의 온도 감소 효과를 얻을 수 있다.

화합물의 장점에 대한 논쟁은 많으며, 오버클러커들은 종종 일부 화합물이 다른 화합물보다 우수하다고 생각한다. 주요 고려 사항은 표면을 평평하게 만드는 데 필요한 최소량의 서멀 컴파운드를 사용하는 것이다. 서멀 컴파운드의 열 전도율은 일반적으로 금속의 1/3에서 1/400 사이이지만 공기보다는 훨씬 좋다. 방열판 화합물의 전도율은 약 0.5 ~ 80W/mK^[48](기사 참조)이며, 알루미늄은 약 200, 공기는 약 0.02이다. 열 전도성 패드도 사용되며, 제조업체에서 방열판에 장착하는 경우가 많다. 열 전도성 패드는 적절하게 적용된 서멀 컴파운드보다 효과가 떨어지지만 적용하기가 더 간단하며, 방열판에 고정되어 있으면 좋은 열 접촉의 중요성을 모르는 사용자가 두껍고 비효율적인 서멀 컴파운드 층으로 교체하는 것을 막을 수 있다.

서멀 컴파운드 또는 패딩의 사용은 상당한 양의 열을 발산할 때 거의 보편적이다.

냉각 장치와 CPU 사이는 밀착되어 있어도 재료 표면의 미세한 요철로 인해 틈이 생긴다. 그 틈을 공기가 아닌, 더 높은 열전도율을 가진 물질로 채워 냉각 장치로 열을 더 쉽게 전달할 수 있다. 시트 형태, 다이아몬드 입자 배합, 액체 금속 형태의 제품도 있다.

5. 2. 방열판 래핑

대량 생산된 CPU의 열 분산판과 방열판 바닥면은 완벽하게 평평하거나 매끄럽지 않다. 이러한 표면을 최상의 접촉 상태로 두면 공기 틈이 생겨 열 전도율이 감소한다. 이는 써멀 컴파운드를 사용하여 쉽게 완화할 수 있지만, 최상의 결과를 얻으려면 표면이 최대한 평평해야 한다. 이는 '''래핑'''이라고 알려진 고된 과정을 통해 달성할 수 있으며, 일반적으로 CPU 온도를 2°C 정도 낮출 수 있다.^[18]

5. 3. 둥근 케이블

대부분의 구형 PC는 스토리지 드라이브(IDE 또는 SCSI)를 연결하기 위해 평평한 리본 케이블을 사용한다. 이러한 크고 평평한 케이블은 공기 저항과 난류를 유발하여 공기 흐름을 크게 방해한다. 오버클러커와 모더들은 종종 표면적을 줄이기 위해 전도성 와이어를 묶어 둥근 케이블로 교체한다. 이론적으로 리본 케이블의 평행한 전선은 상호 간섭(신호를 전달하는 전선이 근처의 전선에 신호를 유도하는 현상)을 줄이는 역할을 하지만, 둥근 케이블이 성능을 감소시킨다는 실증적인 증거는 없다. 이는 케이블의 길이가 짧아 상호 간섭의 영향이 미미하기 때문일 수 있다. 문제는 일반적으로 케이블이 전자파 차폐되지 않고 길이가 상당할 때 발생하며, 이는 구형 네트워크 케이블에서 더 자주 발생한다.^[1]

이러한 컴퓨터 케이블은 섀시 또는 다른 케이블에 케이블 타이를 사용하여 공기 흐름을 더욱 증가시킬 수 있다.^[1]

이는 훨씬 더 좁은 케이블을 사용하는 SATA를 사용하는 새로운 컴퓨터에서는 덜 심각한 문제이다.^[1]

5. 4. 공기 흐름

right 축적은 잦은 열 차단으로 인해 노트북을 사용할 수 없게 만들었다.]]

공기 흐름은 컴퓨터 냉각에 있어 중요한 요소이다. 냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지:''' 먼지는 열을 가두는 절연체 역할을 하고, 공기 흐름을 막아 방열판과 팬의 성능을 저하시킨다.^[2]
'''나쁜 공기 흐름:''' 리본 케이블과 같은 부품과의 마찰로 인한 난류 또는 팬의 잘못된 방향으로 인해 케이스를 통과하는 공기의 양이 감소하고, 케이스에 국소적인 소용돌이가 생길 수 있다. 열 설계가 잘못된 경우, 냉각 공기가 뜨거운 부품 위를 통과하기 전에 "냉각" 구멍을 통해 빠져나갈 수 있는데, 이때 선택적으로 구멍을 막아 냉각을 개선할 수 있다.
'''열악한 열 전달:''' 냉각될 부품과 냉각 장치 간의 열 접촉 불량으로 인해 발생한다. 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.^[2]

thumb

팬은 자연 대류만으로 열을 제거하기에 충분하지 않을 때 사용된다. 팬은 컴퓨터 케이스에 장착하거나, CPU, GPU, 칩셋, 전원 공급 장치 (PSU), 하드 디스크 또는 확장 슬롯에 꽂는 카드 형태로 부착될 수 있다. 일반적인 팬 크기는 40, 60, 80, 92, 120, 140 mm가 있으며, 고성능 개인용 컴퓨터에는 200, 230, 250, 300 mm 팬이 사용되기도 한다.

컴퓨터는 섀시와 구성 요소를 통과하는 공기 흐름에 대한 저항을 가진다. 팬은 입구 측 공기에 대해 출력 측에 상대적인 압력을 제공하여 섀시를 통해 공기를 이동시킨다.^[6] 팬은 자유 기류와 최대 차압의 두 가지 사양을 가지며, 이 둘 사이의 압력 대비 흐름은 그래프로 표시된다.^[6]

팬은 병렬, 직렬 또는 둘의 조합으로 설치할 수 있다. 병렬 설치는 자유 공기 흐름을 두 배로 제공하지만 추가적인 구동 압력은 제공하지 않으며, 직렬 설치는 사용 가능한 정압을 두 배로 늘리지만 자유 공기 흐름 속도는 증가시키지 않는다.^[6] 섀시 임피던스 곡선을 통해 특정 팬 구성에 의해 생성된 섀시를 통과하는 실제 유량을 확인할 수 있다.

섀시를 통과하는 데 필요한 공기 흐름(

\text{CFM}

)은 다음 방정식으로 계산할 수 있다.

:

\text{CFM} = \frac{3.16 \times P}{\text{허용된 온도 상승(°F)}}

:

\text{CFM} = \frac{1.76 \times P}{\text{허용된 온도 상승(°C)}}

여기서

P

는 열 전달(kW)이고, 허용된 온도 상승은 화씨(°F) 또는 섭씨(°C) 단위이다.

예를 들어, 500 와트의 부하, 약 54.4°C의 최대 내부 온도를 가진 섀시가 약 37.8°C 환경에서 약 16.7°C의 온도 차이를 가질 때, 필요한 CFM은 다음과 같다.

:

\text{CFM} = \frac{3.16 \times 500\ \text{W}}{(130 - 100)} = 53

이는 팬의 자유 공기 등급이 아닌 섀시를 통한 실제 흐름이다.

냉각 공기 온도를 개선하는 방법은 다음과 같다.

뜨거운 부품에 가능한 한 직접 차가운 공기를 공급한다. (예: BTX 케이스 디자인)
따뜻한 공기를 가능한 한 직접 배출한다. (예: 일반적인 PC (ATX) 전원 공급 장치)
이미 부품을 부분적으로 냉각하는 데 사용된 공기는 다른 부품을 부분적으로 냉각하는 데 재사용해서는 안 된다.
차가운 흡입 공기를 선호하고, 배기 공기를 흡입하지 않도록 한다.
마더보드 트레이 뒤에 케이블을 숨기거나 케이블 타이를 사용하여 케이블을 정리하여 원활한 공기 흐름을 제공한다.

전략적으로 배치된 더 적은 수의 팬은 PC 내부의 공기 흐름을 개선하여 전체 내부 케이스 온도를 낮출 수 있다. 더 큰 팬을 사용하면 효율성이 향상되고 소음이 줄어든다. 다양한 팬 배치 구성의 효과에 대한 의견 일치가 거의 없으며, 체계적인 테스트도 거의 수행되지 않았다. 직사각형 PC(ATX) 케이스의 경우, 전면, 후면, 상단에 팬이 있는 것이 적합한 구성으로 밝혀졌다.

5. 5. 공기 압력

정압(Positive pressure^영어) 구성은 케이스 안으로 들어오는 공기가 케이스에서 나가는 공기보다 강한 경우를 말한다. 이 구성은 케이스 내부의 압력이 주변 환경보다 높아지게 한다. 부압(Negative pressure^영어) 구성은 나가는 공기가 들어오는 공기보다 강한 경우를 말한다. 이는 내부 공기 압력이 주변 환경보다 낮아지게 한다. 두 구성 모두 장단점이 있지만, 정압 구성이 더 선호된다. 부압 구성은 내부 기체가 주변 환경과 평형 압력에 도달하려고 하기 때문에 팬과 별도로 구멍과 통풍구를 통해 케이스가 공기를 빨아들이는 결과를 낳는다. 결과적으로, 이는 모든 위치에서 먼지가 컴퓨터로 유입되게 한다. 필터링된 흡기와 결합된 정압 구성은 이 문제를 해결하는데, 공기는 주변 환경과 평형을 이루기 위해 이러한 구멍과 통풍구를 통해서만 배출되려 할 것이다. 먼지는 먼지 필터를 갖춰야 하는 흡기 팬을 통해서만 케이스 내부로 들어갈 수 없게 된다.^[6]

컴퓨터는 섀시와 구성 요소를 통과하는 공기의 흐름에 대한 특정 저항을 가지고 있다. 이는 입구 및 출구 개구부, 공기 필터, 내부 섀시 및 전자 부품과 같이 공기 흐름에 대한 모든 작은 방해 요인의 합이다. 팬은 입구 측의 공기에 대해 출력 측에 상대적인 압력을 제공하는 간단한 공기 펌프이다. 이 압력 차이는 공기를 더 낮은 압력 영역으로 이동시키면서 섀시를 통해 공기를 이동시킨다.

팬은 일반적으로 자유 기류와 최대 차압의 두 가지 사양을 게시한다. 자유 기류는 팬이 백 압력이 없을 때 이동하는 공기의 양이다. 최대 차압은 팬이 완전히 막혔을 때 생성할 수 있는 압력의 양이다. 이 두 가지 극단 사이에는 일반적으로 그래프로 표시되는 압력 대비 흐름의 일련의 해당 측정값이 있다. 각 팬 모델은 고유한 곡선을 갖는다.

팬은 서로 병렬, 직렬 또는 둘의 조합으로 설치할 수 있다. 병렬 설치는 팬을 나란히 장착하는 방식이다. 직렬 설치는 흡입 팬과 배기 팬처럼 다른 팬과 일렬로 배치하는 방식이다.

병렬 팬은 자유 공기 흐름을 두 배로 제공하지만 추가적인 구동 압력은 제공하지 않는다. 반면 직렬 설치는 사용 가능한 정압을 두 배로 늘리지만 자유 공기 흐름 속도는 증가시키지 않는다.

공기 흐름은 압력의 제곱근에 따라 변화한다는 점에 유의해야 한다. 따라서 압력을 두 배로 하면 유량이 두 배가 아니라 1.41 ()배 증가할 뿐이다. 이것을 다른 방식으로 보면 유량을 두 배로 늘리려면 압력이 4배 증가해야 한다.

섀시를 통과하는 유량을 결정하기 위해 섀시 입구에 임의의 압력을 가하고 섀시를 통과하는 유량을 측정하여 섀시 임피던스 곡선을 측정할 수 있다. 이 작업에는 상당히 정교한 장비가 필요하다. 섀시 임피던스 곡선이 결정되면 특정 팬 구성에 의해 생성된 섀시를 통과하는 실제 유량은 섀시 임피던스 곡선이 팬 곡선과 교차하는 지점에서 그래픽으로 표시된다. 섀시 임피던스 곡선의 기울기는 제곱근 함수이며, 유량을 두 배로 늘리려면 4배의 차압이 필요하다.

이 특정 예에서 두 번째 팬을 추가하면 두 구성 모두 유량이 미미하게 개선되었다. 직렬로 연결된 두 번째 팬은 병렬 설치보다 약간 더 나은 성능을 제공한다.

섀시를 통과하는 데 필요한 공기 흐름에 대한 방정식은 다음과 같다.

:

\text{CFM} = \frac{P}{Cp \times r \times dT}

여기서

$\text{CFM}$ = 분당 입방 피트
$P$ = 열 전달 (kW)
$Cp$ = 공기의 비열
$r$ = 밀도
$dT$ = 온도 변화(°F)

섀시 벽을 통한 열 손실 및 층류 대 난류 흐름과 같은 효과를 고려하지 않고, 해수면에서의 비열 및 밀도에 대한 상수를 고려한 냉각 흐름 요구 사항에 대한 간단한 보수적인 경험 규칙은 다음과 같다.

:

\text{CFM} = \frac{3.16 \times P}{\text{허용된 온도 상승(°F)}}

:

\text{CFM} = \frac{1.76 \times P}{\text{허용된 온도 상승(°C)}}

예를 들어, 500 와트의 부하, 130°F의 최대 내부 온도를 가진 일반적인 섀시는 100°F 환경, 즉 약 16.7°C의 차이를 갖는다.

:

\text{CFM} = \frac{3.16 \times 500\ \text{W}}{(130 - 100)} = 53

이것은 팬의 자유 공기 등급이 아닌 섀시를 통한 실제 흐름이다.

6. 컴퓨터 유형별 냉각

집적 회로(CPU, GPU 등)는 현대 컴퓨터의 주요 열 발생 장치이다. 효율적인 설계와 작동 매개변수 선택으로 열 발생을 줄일 수 있지만, 허용 가능한 성능을 위해서는 상당한 열 관리가 필요하다.

right 축적은 잦은 열 차단으로 인해 노트북을 사용할 수 없게 만들었다.]]

작동 시 컴퓨터 부품 온도는 주변으로 전달되는 열이 부품에서 생성되는 열과 같아질 때까지 상승하여 열적 평형에 도달한다. 안정적인 작동을 위해 온도는 각 부품에 지정된 최대 허용 값을 초과해서는 안 된다. 반도체의 경우, 순간적인 접합 온도가 중요하다.

냉각은 다음과 같은 요인에 의해 손상될 수 있다.

'''먼지'''는 열 절연체 역할을 하고 공기 흐름을 방해하여 방열판 및 팬 성능을 저하시킨다.
'''나쁜 공기 흐름'''은 리본 케이블 같은 방해 부품과의 마찰로 인한 난류, 또는 팬의 잘못된 방향으로 인해 발생할 수 있다.
'''열악한 열 전달'''은 냉각될 부품과 냉각 장치 간 열 접촉 불량으로 인해 발생하며, 열 화합물을 사용하거나 래핑하여 개선할 수 있다.

CPU뿐 아니라 집적 회로를 사용하는 전자 기기에서 강하게 발열하는데도 냉각을 게을리하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

과열에 의한 오작동. 특히 이로 인한 제어 불능 상태(폭주)를 속칭^[90] "열폭주"라고 부르는 경우가 있다.
발열 및 수축 반복에 의한 수명 단축
(최악의 경우) 반도체로서의 열폭주나 고장, 파괴

충분한 냉각을 하지 않으면 일시적인 기능 부전, 영구적인 파괴, 현저한 수명 단축이 일어날 수 있다.

마이크로프로세서 CPU의 경우, B2B에서 거래되는 "벌크품"에는 CPU 쿨러가 없다. 일반 소비자용 "리테일 패키지"에는 필요 충분한 성능을 보증한 CPU 쿨러("리테일 쿨러", "정품 쿨러")가 동봉되며^[91], 제품에 따라서는 정품 이외 쿨러와의 조합이 보증 외가 되는 경우도 있다. 조립 PC나 BTO PC에서는 냉각 능력이나 정숙성 등을 중시한 쿨러를 원하는 사용자도 많아, 교체용 서드 파티 CPU 쿨러가 다수 개발, 판매되고 있다. 2020년대 현재는 리테일 버전에서도 쿨러가 없는 패키지도 나오고 있다.

조립 PC나 BTO PC는 통풍 방향에 따라야 할 마더보드상 서브 기판이 그 방향에 따르지 않는 경우가 있다. 반면 커스텀 폭이 좁은 전제로 설계되는 메이커 PC나 PC 서버 등은 폼 팩터에 얽매이지 않고 전체 최적 설계가 보이는 경우도 많다.^[92]

개인용 PC뿐 아니라 업무용 워크스테이션이나 서버에서도 냉각이 필요한 이유는 PC의 경우와 같지만, 시스템 전체 냉각을 고려한 설계가 되어 있다.^[91]

;GPU의 냉각

GPU 등 프로세서, 또는 더 많은 집적 회로에서 발열이 현저한 것의 냉각, 비디오 카드의 주로 GPU를 냉각하는 것을 "GPU 쿨러" 또는 "VGA 쿨러"라고 부른다.

동일한 GPU를 채용한 제품에서도 제조사에 따라 팬 수가 1~3개로 다른 경우가 있다.

;게임 콘솔의 냉각

가정용 게임기도 마찬가지로, 심장부 CPU나 SoC가 고성능이 되어 발열이 커질수록 강력한 냉각이 필요하게 된 역사가 있다. 예를 들어 PlayStation 시리즈의 경우, 1994년 발매된 초대 PS는 자연 통풍에 의한 냉각만 있었지만, 2000년 발매된 PS2는 방열 핀, 팬, 배기구 등 냉각 시스템이 내장되었다. 2022년 11월 발매된 고성능 PS5는 본체 내부에 직경 120mm 두께 45mm의 거대한 양면 흡기 팬이 장착되어, 전면 2개 벤트에서 흡기하고 후면 측 거의 전면 다수 슬릿에서 배기하는 구조이며, 히트싱크에 히트 파이프를 채용하고 있지만, (PS3, PS4보다도) 대형 장비를 갖추고 형상이나 에어 플로우 연구로 베이퍼 챔버 수준 성능을 실현하고 있다고 한다. PS5 심장부 SoC와 히트싱크 사이에 끼우는 TIM(서멀 인터페이스 재료)에는 액체 금속을 채용하고 있다.^[93]

;메인프레임 등의 냉각

1950년대부터 존재했던 메인프레임과 1960년대 중반에 등장했다고 여겨지는 슈퍼컴퓨터에서 냉각이 필요하게 된 이유도 마찬가지이다. 원래 대형 컴퓨터밖에 없었던 시대, 컴퓨터는 열에 약한 것이었다. 메인프레임은 설치되는 머신 룸(컴퓨터 룸)은 20°C 전후로 실온을 유지해야 한다고 규정된 기종이 많았던 역사가 있다.^[94] 그 냉방비만으로도 상당한 금액이 들었다. 스파컴이나 메인프레임 등에서는 PC와는 상당히 다른 냉각 방법도 채용되는 경우가 있다. 예를 들어 '''액침 방식''' 즉 액체 냉매(전기 절연성이 높고 불활성인 플루오린계 액체, 상품명 "플루리나트"(미국 3M 제품) 등)에 기판군 전체를 담가서(침전시켜서) 냉각하는 수법이 사용되는 경우도 있다. 2010년대 후반부터는 '''상변화 방식'''(기화열을 이용해 효율적으로 열을 확산시키는 방식) 방열 기술 개발도 NEC 등에 의해 활발해지고 있다.^[95]

6. 1. 데스크톱 컴퓨터

데스크톱 컴퓨터는 냉각을 위해 보통 하나 이상의 팬을 사용한다. 거의 모든 데스크톱 전원 공급 장치(PSU)에는 최소 하나의 내장 팬이 있지만, 전원 공급 장치는 케이스 내부의 뜨거운 공기를 흡입해서는 안 된다. 이는 전원 공급 장치 작동 온도를 높여 에너지 효율, 신뢰성 및 컴퓨터 내부 구성 요소에 안정적인 전원을 공급하는 능력을 감소시키기 때문이다. 이러한 이유로 모든 최신 ATX 케이스(초저가 케이스 제외)는 하단에 전원 공급 장치 마운트를 갖추고 있으며, 장착 위치 아래에 전용 전원 공급 장치 공기 흡입구(종종 자체 필터 포함)가 있어 케이스 아래에서 찬 공기를 흡입할 수 있다.

대부분의 제조업체는 케이스 하단 전면에서 차고 신선한 공기를 유입시키고 상단 후면에서 따뜻한 공기를 배출하는 것을 권장한다. 팬을 장착하여 공기를 케이스 안으로 더 효과적으로 밀어 넣으면 내부 압력이 외부보다 높아지는데, 이를 "양압" 기류라고 한다(반대의 경우 "음압" 기류라고 한다). 양압 내부 압력은 공기 흡입구에 먼지 필터가 장착된 경우에만 케이스에 먼지가 쌓이는 것을 방지한다.^[51] 음압 내부 압력의 케이스는 흡입구에 필터가 있어도 더 높은 속도로 먼지가 쌓이는데, 이는 음압이 케이스의 모든 개방된 구멍을 통해 먼지를 빨아들이기 때문이다.

일반적인 데스크톱 케이스 내부의 기류는 수동형 CPU 방열판에 충분히 강하지 않다. 대부분의 데스크톱 방열판은 하나 또는 여러 개의 직접 부착된 팬이나 송풍기를 포함하는 능동형이다.

6. 2. 서버

서버는 독립적인 내부 냉각 시스템을 가질 수 있다. 1 U 크기의 서버 냉각 팬은 보통 인클로저 중간, 전면의 하드 드라이브와 후면의 수동 CPU 방열판 사이에 위치한다. 더 큰 인클로저는 배기 팬도 갖추고 있으며, 대략 4U부터는 액티브 히트싱크를 가질 수 있다. 전원 공급 장치는 일반적으로 자체적인 후면 배기 팬을 가지고 있다.

자연 환경에서 수중 데이터 센터를 실현하기 위한 검증 실험이 정부와 민간에서 진행되고 있다. 냉각에 호수나 해수를 사용함으로써 대규모 냉각 시설과 토지가 불필요해지고, 공조를 구동하기 위한 전기 요금을 절감할 수 있으며, 사람이 내부에 들어가지 않으므로 사고율도 지상보다 낮다는 장점이 있다.^[116]

마이크로소프트는 나틱 계획을 통해 전용 컨테이너 내에 서버를 수납하고, 냉각을 해수로 하는 해중 데이터 센터의 검증 실험을 진행하고 있다.^[117]

국립정보학연구소에서는 전용 컨테이너를 사용하지 않고, 직접 마더보드를 해중이나 호수에 담그는 검증 실험을 하고 있다. 시판 부품을 파릴렌 수지로 코팅하여 수돗물을 넣은 수조 안에서 3개월간의 가동에 성공했다.^[118]

6. 3. 노트북 컴퓨터

노트북은 기계적 공기 흐름 설계, 전력 소모 및 냉각에 있어 여러 어려움이 따른다. 노트북 고유의 제약 조건은 다음과 같다.

장치 전체의 경량화
표준 키보드 레이아웃을 중심으로 한 폼 팩터
사용자와의 근접성으로 인한 소음 최소화
케이스 외부 온도를 낮게 유지

냉각은 일반적으로 강제 공기 냉각을 사용하지만, 히트 파이프와 금속 섀시 또는 케이스를 수동 방열판으로 사용하는 것도 일반적이다. 열을 줄이기 위해 저전력 ARM 또는 인텔 아톰 프로세서를 사용하기도 한다.

노트북 컴퓨터의 CPU 및 GPU 방열판과 열을 배출 팬으로 전달하여 뜨거운 공기를 배출하는 구리 히트 파이프

6. 4. 모바일 장치

모바일 CPU 및 GPU 칩은 장치 배터리의 제약으로 인해 최대 전력 효율성을 위해 설계되었기 때문에, 휴대폰과 같은 모바일 장치는 일반적으로 별도의 냉각 시스템을 갖추고 있지 않다. 일부 고성능 장치는 방열판을 포함하여 휴대폰 또는 태블릿의 외부 케이스로 열을 전달하는 데 도움을 줄 수 있다.^[1]

참조

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_[4] 서적 All the Math That's Fit to Print: Articles from The Guardian Cambridge University Press
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