언더클럭
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1. 개요
언더클럭은 마이크로프로세서의 클럭 속도를 낮추는 기술로, CPU, GPU, 메모리 등에서 사용된다. CPU 언더클럭은 발열 감소와 전력 소비 절감을 위해, GPU 언더클럭은 그래픽 작업 시 성능 저하를 감수하고 발열량 감소를 위해, 메모리 언더클럭은 구형 시스템에서 메모리 호환성을 위해 사용될 수 있다. 언더클럭은 BIOS 설정, 마더보드 점퍼 핀, DIP 스위치 등을 통해 설정하며, 동적 언더클럭 기능도 존재한다. 언더클럭은 하드웨어 수명 연장, 전력 소비 감소, 소음 감소 등의 장점이 있지만, 성능 저하 및 설정 시 주의가 필요하다. 노트북, 스마트폰 등에서 배터리 수명 연장을 위해 널리 활용되며, 운영체제 및 다양한 기기에서도 지원된다.
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언더클럭 |
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2. 종류
언더클럭은 컴퓨터 부품의 클럭 속도를 의도적으로 낮추는 것을 말한다. 주로 발열을 줄이거나 전력 소비를 낮추기 위해 사용된다.
- CPU 언더클럭: 방열 장치의 부담을 줄이고 전력 소비를 줄이는 것이 목적이다. 시스템 안정성을 높이거나, 더 조용한 환경을 만들거나, 냉각 팬 없이 작동할 수 있게 해준다. 예를 들어, 3.4GHz로 작동하는 펜티엄 4 프로세서를 2GHz로 언더클럭하면 팬 속도를 줄여도 안전하게 사용할 수 있다. 하지만, 하드 디스크, GPU 등 다른 병목 현상으로 인해 성능 감소는 클럭 속도 감소보다 적을 수 있다.
- GPU 언더클럭: 그래픽 카드 프로세서의 발열을 줄이기 위해 사용된다. 인터넷 검색이나 워드 프로세싱과 같이 그래픽 부담이 적은 작업을 할 때 GPU를 낮은 클럭 속도로 작동시켜 온도를 낮추고 소음을 줄일 수 있다.
- 메모리 언더클럭: 구형 시스템에서 단종되었거나 구하기 어려운 메모리를 대체하기 위해 사용될 수 있다. 또는, 서로 다른 클럭 속도의 메모리 모듈이 장착된 PC에서 안정성 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다. PC 프로세서가 언더클럭되고 클럭 팩터(프로세서와 메모리 클럭 속도 간의 비율)가 변경되지 않으면 메모리도 함께 언더클럭된다.
2. 1. CPU 언더클럭
방열 장치의 필요성을 줄이거나 전기적 전력 소비를 줄이는 것을 목적으로 한다. 이는 고온 환경에서 시스템 안정성을 높이거나, 더 낮은 기류(그리고 따라서 더 조용한) 냉각 팬으로 시스템을 작동시키거나, 아예 냉각 팬 없이 작동할 수 있게 해준다. 예를 들어, 일반적으로 3.4GHz로 클럭된 펜티엄 4 프로세서를 2GHz로 "언더클럭"할 수 있으며, 그런 다음 팬 속도를 줄여 안전하게 실행할 수 있다. 이는 필연적으로 시스템 성능의 일부 희생을 수반한다. 그러나 비례적인 성능 감소는 종종 하드 디스크, GPU, 디스크 컨트롤러, 인터넷, 네트워크 등 다른 병목 현상에 의해 성능이 제한되기 때문에 클럭 속도의 비례적 감소보다 일반적으로 작다. 언더클럭킹은 장치의 에너지 요구 사항을 낮추기 위해 동기 회로의 타이밍을 변경하는 것을 의미한다. 고의적인 언더클럭킹은 프로세서의 속도를 제한하는 것을 포함하며, 이는 작업 속도에 영향을 미칠 수 있지만, 다른 하드웨어와 원하는 사용에 따라 장치가 눈에 띄게 덜 능동적으로 될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.많은 컴퓨터 및 기타 장치에서 언더클럭킹이 가능하다. 제조업체는 여러 가지 이유로 언더클럭킹 옵션을 추가한다. 언더클럭킹은 과도한 열 축적에 도움이 될 수 있는데, 성능이 낮으면 장치 내에서 많은 열이 발생하지 않기 때문이다. 또한 장치를 실행하는 데 필요한 에너지의 양을 줄일 수도 있다. 노트북 컴퓨터 및 기타 배터리 작동 장치에는 종종 언더클럭킹 설정이 있어 배터리를 충전하지 않고도 더 오래 사용할 수 있다.
제조업체는 기계를 더 효율적으로 만들기 위해 기계의 기능을 제한하도록 선택할 수 있다. 축소 명령 집합 컴퓨터(RISC) 모델은 제조업체가 더 적은 전력으로 작동하는 장치를 구축하는 데 도움이 될 수 있다.
2. 2. GPU 언더클럭
언더클러킹은 그래픽 카드 프로세서의 GPU에서도 수행할 수 있는데, 이는 일반적으로 발열량을 줄이기 위해서이다. 예를 들어, 인터넷 검색 및 워드 프로세싱과 같은 일상적인 작업을 할 때는 GPU가 더 낮은 클럭 속도로 작동하도록 설정하여 카드가 더 낮은 온도에서 작동하도록 할 수 있다. 이에 따라 팬 속도를 낮추고 소음을 줄일 수 있다. 반면, 게임과 같은 그래픽 집약적인 응용 프로그램을 실행할 때는 GPU를 오버클럭할 수 있다. GPU를 언더클럭하면 성능이 저하되지만, 그래픽 집약적인 응용 프로그램을 사용하지 않는다면 이러한 성능 감소는 눈에 띄지 않을 수 있다.2. 3. 메모리 언더클럭
새롭고 더 빠른 램은 단종되거나 구하기 어려운 메모리를 대체하는 저렴한 방법으로 구형 시스템에 맞춰 언더클럭될 수 있다. 이는 더 높은 설정에서 안정성 문제가 발생할 경우, 특히 서로 다른 클럭 속도를 가진 여러 개의 메모리 모듈이 장착된 PC에서 필요할 수 있다. PC 프로세서가 언더클럭되고 클럭 팩터 또는 승수(프로세서와 메모리 클럭 속도 간의 비율)가 변경되지 않으면 메모리도 언더클럭된다.3. 작동 방식
언더클럭은 주로 BIOS, 마더보드의 점퍼 핀, DIP 스위치를 조작하여 설정한다. 베이스 클럭과 CPU 클럭 배율을 낮추는 두 가지 방법이 있으며, 둘 다 낮출 수도 있다. 이러한 설정이 없는 컴퓨터에서는 클럭 모듈 교체, 배선 패턴 변경 등의 개조가 필요하다. 인텔 코어 2 쿼드 Q6600 (베이스 클럭 266MHz, 클럭 배율 9배)을 예시로 들 수 있다.[1]
3. 1. 효과적인 언더클럭
클럭 주파수를 낮추면서도 성능을 높게 유지하고 싶다면, 베이스 클럭을 낮추지 않도록 한다. 베이스 클럭은 메모리나 칩셋 등 CPU 외의 부분에도 영향을 미치기 때문이다. 따라서 베이스 클럭 266MHz, 클럭 배율 6배로 인한 1596MHz 작동과 베이스 클럭 200MHz, 클럭 배율 8배로 인한 1600MHz 작동을 비교하면 전자가 더 고성능이 된다.베이스 클럭 변경은 시스템에 따라 문제의 원인이 될 수 있다. 베이스 클럭 주파수에 따라 AGP 버스나 PCI 버스의 주파수가 변화하는 구형 제품에서는 66MHz 이외의 베이스 클럭 주파수로 변경하는 데 주의가 필요하다.
언더클럭으로 설정하고 잠시 운용해보고 특별한 문제가 없다면 CPU에 공급하는 전압을 조금 낮춰보는 것이 좋다. 특히 발열을 억제하려는 목적으로 언더클럭을 하는 경우, 이 점은 시도해볼 가치가 있다. 다만 전압을 낮춰 불안정해진다면 원래 전압으로 되돌려야 한다. 따라서 전압을 변경할 때는 어떻게 원래 설정으로 되돌릴지, 그 방법을 알아두는 것이 필요하다.
4. 동적 언더클럭
동적 주파수 스케일링(자동 언더클럭킹)은 노트북 컴퓨터에서 매우 흔하며, 데스크톱 컴퓨터에서도 일반화되었다. 노트북에서는 컴퓨터가 배터리로 작동할 때 프로세서가 일반적으로 자동으로 언더클럭된다. 대부분의 최신 노트북 및 데스크톱 프로세서(AMD의 Cool'n'Quiet 및 PowerNow![1]와 같은 절전 방식 사용)는 머신 BIOS와 운영 체제가 지원하는 경우 가벼운 프로세싱 부하에서 자동으로 언더클럭된다. 인텔도 SpeedStep이라는 기능을 통해 수많은 프로세서에서 이 방식을 사용해왔다. SpeedStep은 Core 2 Duo 및 일부 펜티엄 모델과 같은 칩에서 처음 등장했으며, 이후 중급 및 고급 Core i3, i5, i7 모델의 표준이 되었다.
일부 프로세서는 영구적인 손상을 일으킬 수 있는 과열을 방지하기 위한 방어 조치로 자동으로 언더클럭된다. 이러한 프로세서가 안전한 작동에 너무 높다고 간주되는 온도 수준에 도달하면 ''열 제어 회로''가 활성화되어 온도가 안전 수준으로 돌아올 때까지 클럭과 CPU 코어 전압을 자동으로 줄인다. 적절하게 냉각된 환경에서는 이 메커니즘이 거의(또는 전혀) 작동하지 않아야 한다.
오버클럭킹 경쟁과 유사한 형식의 여러 언더클럭킹 경쟁이 있으며, 목표는 가장 높은 클럭이 아닌 가장 낮은 클럭의 컴퓨터를 갖는 것이다.
마더보드나 운영체제가 연동하여 특정 조건에 부합하면 언더클럭이 시작되고, 해당 조건에서 벗어나면 언더클럭이 종료되는 기능이 존재한다. (예: AMD의 쿨 앤 콰이어트, 파워나우!, 인텔의 인텔 스피드스텝)
이른바 절전 기능으로 알려져 있으며, CPU의 유휴율이 높거나, 키보드나 마우스에 대해 일정 시간 조작이 이루어지지 않는 등의 조건을 만족하면 언더클럭이 되는 설정이 널리 사용되고 있다. 특히 배터리 구동의 노트북 컴퓨터에서는 중요한 기능이다.
5. 장점
언더클럭은 하드웨어의 수명을 늘리고 전력 소비를 줄일 수 있다. 발열이 줄어들면서 냉각 부품의 소음이 줄어들고, 전반적인 안정성이 향상된다. 마이크로프로세서의 경우, 방열 장치의 필요성을 줄이거나 전기적 전력 소비를 줄이는 것이 주된 목적이다. 이를 통해 고온 환경에서도 시스템 안정성을 높이거나, 더 조용한 냉각 팬을 사용하거나, 아예 냉각 팬 없이 시스템을 작동시킬 수 있다.[1] 예를 들어, 3.4GHz로 클럭된 펜티엄 4 프로세서를 2GHz로 언더클럭하면 팬 속도를 줄여도 안전하게 실행할 수 있다. 물론 성능은 কিছুটা 희생되지만, 하드 디스크, GPU, 디스크 컨트롤러, 인터넷, 네트워크 등 다른 병목 현상 때문에 성능 감소는 클럭 속도 감소보다 덜하다.
많은 컴퓨터 및 기타 장치에서 언더클럭을 할 수 있다. 제조업체는 과도한 열 축적을 막고, 장치 실행에 필요한 에너지를 줄이기 위해 언더클럭 옵션을 추가한다. 노트북 컴퓨터와 같이 배터리로 작동하는 장치는 배터리 사용 시간을 늘리기 위해 언더클럭 설정을 제공하기도 한다. 제조업체는 기계를 더 효율적으로 만들기 위해 기계의 기능을 제한하기도 한다. 축소 명령 집합 컴퓨터(RISC) 모델은 제조업체가 더 적은 전력으로 작동하는 장치를 구축하는 데 도움이 된다.
그래픽 카드 프로세서의 GPU에서도 발열량을 줄이기 위해 언더클럭을 수행할 수 있다. 예를 들어, 인터넷 검색이나 워드 프로세싱과 같은 일상적인 작업을 할 때는 GPU를 낮은 클럭 속도로 작동시켜 카드의 온도를 낮추고 팬 소음을 줄일 수 있다. 그래픽 집약적인 작업을 할 때는 GPU를 오버클럭할 수 있다. GPU 언더클럭은 성능을 저하시키지만, 그래픽 집약적인 작업을 제외하면 체감하기 어려울 수 있다.
구형 시스템에서 단종되었거나 구하기 어려운 메모리를 대체하기 위해 새롭고 빠른 램을 언더클럭하여 사용할 수도 있다. 특히 서로 다른 클럭 속도를 가진 여러 개의 메모리 모듈이 장착된 PC에서 높은 설정으로 인해 안정성 문제가 발생할 경우 유용하다. PC 프로세서가 언더클럭되고 클럭 팩터 또는 승수(프로세서와 메모리 클럭 속도 간의 비율)가 변경되지 않으면 메모리도 함께 언더클럭된다.
동적 주파수 스케일링(자동 언더클럭킹)은 노트북 컴퓨터에서 매우 흔하며, 데스크톱 컴퓨터에서도 일반화되었다. 노트북에서는 배터리로 작동할 때 프로세서가 자동으로 언더클럭된다. AMD의 Cool'n'Quiet 및 PowerNow![1], 인텔의 SpeedStep과 같은 절전 방식을 사용하는 최신 노트북 및 데스크톱 프로세서는 가벼운 처리 부하에서 자동으로 언더클럭된다. SpeedStep은 Core 2 Duo 및 일부 펜티엄 모델에서 처음 등장했으며, 이후 Core i3, i5, i7 모델의 표준이 되었다.
일부 프로세서는 과열로 인한 영구적인 손상을 막기 위해 자동으로 언더클럭된다. 프로세서가 안전 작동 온도보다 높다고 판단되면 ''열 제어 회로''가 활성화되어 클럭과 CPU 코어 전압을 자동으로 낮춘다. 적절하게 냉각된 환경에서는 이 기능이 거의 작동하지 않아야 한다.
오버클럭킹 경쟁과 유사한 언더클럭킹 경쟁도 있는데, 목표는 가장 낮은 클럭의 컴퓨터를 만드는 것이다.
언더클럭의 장점은 다음과 같다:
- 전력 소비 감소: 특히 언더볼팅(구성 요소의 전압을 공칭 전압보다 낮추는 것)과 결합하면 더욱 효과적이다. 예를 들어, Athlon XP 1700+ 프로세서를 1466MHz에서 1000MHz로 언더클럭하고 코어 전압을 1.75V에서 1.15V로 낮추면 전력 소비를 64.0W에서 21.6W로 줄일 수 있다. (66% 감소, 성능 저하는 26%).[2] 최신 프로세서의 경우, 싱글 코어 인텔 CPU를 20% 언더클럭했을 때 PC 성능은 13%만 감소했지만, 전력은 49% 감소했다.[3]
- 열 발생 감소: 전력 소비에 비례하여 감소한다.
- 소음 감소: 냉각 팬 속도를 늦추거나 제거할 수 있기 때문이다.
- 하드웨어 수명 연장
- 안정성 향상
- 배터리 수명 증가
- 오래된 응용 프로그램과의 호환성 향상
- CPU 타이밍에 의존하는 오래된 컴퓨터 게임의 적절한 성능 확보
클럭 주파수를 낮추면서도 성능을 높게 유지하려면 베이스 클럭을 낮추지 않아야 한다. 베이스 클럭은 메모리나 칩셋 등 CPU 외의 부분에도 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 베이스 클럭 266MHz, 클럭 배율 6배(1596MHz 작동)와 베이스 클럭 200MHz, 클럭 배율 8배(1600MHz 작동)를 비교하면 전자가 더 고성능이다.
베이스 클럭 변경은 시스템에 따라 문제를 일으킬 수 있다. 특히 구형 제품에서는 AGP 버스나 PCI 버스 주파수가 베이스 클럭 주파수에 따라 변하므로 66MHz 이외의 베이스 클럭 주파수로 변경할 때는 주의해야 한다.
언더클럭 후 특별한 문제가 없다면 CPU에 공급하는 전압을 조금 낮춰보는 것이 좋다. 특히 발열 억제가 목적이라면 시도해 볼 가치가 있다. 단, 전압을 낮춰 불안정해지면 원래 전압으로 되돌려야 하므로, 전압 변경 시에는 원래 설정으로 되돌리는 방법을 알아두는 것이 필요하다.
6. 단점
클럭을 낮추면 속도가 떨어진다. 작동 속도를 과도하게 줄이면 심각한 문제를 일으킬 수 있다. (저전압이 고전압보다 위험한 경우도 많다.) 클럭을 내릴 경우, 반대로 클럭 파형의 전압이 상승하므로 전압도 비례하여 내려주어야 한다.
언더클럭은 오버클럭만큼 위험하지는 않지만, 위험성이 따른다. CPU 기능에 의해 동적으로 언더클럭되는 경우에는 문제가 없지만, BIOS 설정, 마더보드 상의 점퍼 핀, 딥 스위치를 조작하여 언더클럭을 설정하는 경우, CPU의 구동 전압도 낮아진다. 따라서 다운되는 클럭 수에 맞춰 BIOS 설정, 마더보드 상의 점퍼 핀, 딥 스위치를 조작하여 CPU에 공급되는 전압도 낮추지 않으면 CPU가 과전압으로 고장날 가능성이 있다.
7. 활용 사례
초소형 노트북이나 휴대 전화에서는 배터리 소비와 발열을 억제하기 위해 일부러 고주파로 동작하는 CPU를 사용하고, 언더클럭으로 동작시키는 제품이 존재한다. 이는 소비 전력을 감소시켜 배터리 소형화, 발열 억제를 통한 방열판 등의 소형화를 통해 본체를 최대한 작게 설계하기 위한 방식이다.
이러한 기기의 CPU를 정격 동작으로 하는 개조 및 조정 방법도 존재하지만, 기기 전체가 낮은 클럭으로 설계되어 있기 때문에 사실상 오버클럭이 된다 (배터리 지속 시간이 극단적으로 짧아지는 등).
극단적인 예로, 배터리 지속 시간을 최우선으로 고려한 포켓 컴퓨터 등에서는 클럭 주파수를 두 배로 해도 동작하는 경우가 있었다 (당연히 배터리 소모가 심해 상용에는 적합하지 않아 전환 방식으로 개조되는 경우가 많았다).
7. 1. 리눅스
리눅스 커널은 CPU 주파수 조절을 지원한다. 지원되는 프로세서에서 ''cpufreq''를 사용하면 시스템 관리자는 CPU의 클럭 속도에 대한 다양한 수준의 제어 권한을 갖게 된다. 커널에는 기본적으로 Conservative, Ondemand, Performance, Powersave, Userspace, Schedutil의 여섯 가지 거버너가 포함되어 있다.[5]Conservative 및 Ondemand 거버너는 CPU 부하에 따라 클럭 속도를 조정하지만, 각각 다른 알고리즘을 사용한다. Ondemand 거버너는 CPU 부하 시 최대 주파수로 점프하고 CPU 유휴 시 단계적으로 주파수를 감소시키는 반면, Conservative 거버너는 CPU 부하 시 단계적으로 주파수를 증가시키고 CPU 유휴 시 최소 주파수로 점프한다.
Performance, Powersave, Userspace 거버너는 클럭 속도를 정적으로 설정한다. Performance는 사용 가능한 최고 주파수로, Powersave는 사용 가능한 최저 주파수로, Userspace는 사용자가 결정하고 제어하는 주파수로 설정한다. Schedutil 거버너는 스케줄러의 PELT(Per-Entity Load Tracking) 메커니즘을 통해 부하를 추정한다.
7. 2. 윈도우
윈도우 응용 프로그램을 사용하거나, 인텔의 스피드스텝, AMD의 쿨 앤 콰이어트와 같은 기능을 사용하여 동적으로 언더클럭을 수행할 수 있다. 윈도우 7과 윈도우 10에서는 전원 관리 계획의 "고급" 설정 내에서 언더클럭을 설정할 수 있다.[6][7]7. 3. macOS
EFI에서 언더클럭을 수행할 수 있다.7. 4. 스마트폰 및 PDA
대부분의 스마트폰과 PDA(예: 모토로라 드로이드, 팜 프리, 아이폰)는 배터리 수명을 최대화하기 위해 덜 강력한 프로세서의 전체 클럭 속도 대신 더 강력한 프로세서의 언더클럭킹을 사용한다. 이러한 모바일 기기 설계자들은 종종 느린 프로세서가 더 낮은 클럭 속도의 더 강력한 프로세서보다 배터리 수명이 더 나쁘다는 것을 발견한다.그들은 프로세서의 전력 효율을 기준으로 프로세서를 선택한다.[8] 초소형 노트북이나 휴대 전화에서는 배터리 소비와 발열을 억제하기 위해 일부러 고주파로 동작하는 CPU를 사용하고, 언더클럭으로 동작시키는 제품이 존재한다. 소비 전력 감소에 따른 배터리 소형화, 발열 억제를 통한 방열판 등의 소형화를 통해 본체를 최대한 작게 설계하기 위한 접근 방식이다.
다음은 언더클럭이 적용된 제품의 예시이다.
이러한 기기의 CPU를 정격 동작으로 하는 개조 및 조정 방법도 존재하지만, 기기 전체가 낮은 클럭으로 설계되어 있기 때문에, 사실상 오버클럭이 된다(배터리 지속 시간이 극단적으로 짧아지는 등).
극단적인 예로, 배터리 지속 시간을 최우선으로 고려한 포켓 컴퓨터 등에서는 클럭 주파수를 두 배로 해도 동작하는 경우가 있었다(당연히 배터리 소모가 심해 상용에는 적합하지 않아 전환 방식으로 개조되는 경우가 많았다).
7. 5. Asus Eee PC
에이수스 Eee PC의 초기 모델은 630MHz로 언더클럭된 900MHz 인텔 셀러론 M 프로세서를 사용했다.[1] 초소형 노트북이나 휴대 전화에서는 배터리 소비와 발열을 억제하기 위해 일부러 고주파로 동작하는 CPU를 사용하고, 언더클럭으로 동작시키는 제품이 있다.[1] 소비 전력 감소에 따른 배터리 소형화, 발열 억제를 통한 방열판 등의 소형화를 통해 본체를 최대한 작게 설계하기 위한 접근 방식이다.[1]이러한 기기의 CPU를 정격 동작으로 하는 개조 및 조정 방법도 존재하지만, 기기 전체가 낮은 클럭으로 설계되어 있기 때문에, 사실상 오버클럭이 된다(배터리 지속 시간이 극단적으로 짧아지는 등).[1]
7. 6. 후지쯔 F-07C
후지쯔 F-07C는 아톰 Z650 1.2GHz CPU를 탑재했지만, 배터리 소비와 발열 억제를 위해 600MHz로 동작하는 언더클럭을 적용하였다.참조
[1]
웹사이트
Global Provider of Innovative Graphics, Processors and Media Solutions
https://www.amd.com/[...]
AMD
2016-06-02
[2]
웹사이트
Ultimate Underclock & Undervolt Project
2016-06-02
[3]
웹사이트
Fra overklokking til underklokking - Data Respons
http://www.datarespo[...]
2010-11-27
[4]
웹사이트
Enhanced Intel SpeedStep Technology for the Intel Pentium M Processor - White Paper
http://download.inte[...]
Intel Corporation
2004-03-01
[5]
웹사이트
CPUFreq Governors
https://www.kernel.o[...]
2017-04-12
[6]
웹사이트
How does windows "limit" the CPU (Power Options / Battery saving)
https://superuser.co[...]
2020-04-30
[7]
웹사이트
7 ways to get better battery life from your Windows 10 PC
https://www.windowsc[...]
2020-04-30
[8]
문서
"Microprocessor Design: Performance Metrics"
[[Wikibooks:Micropro[...]
[9]
문서
언더클러킹 또는 다운클러킹이라고도 한다.
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