CPU, GPU 온도 얼마나 뜨거워야 '너무 뜨겁다' 라고 할 수 있나? > 테크니컬

CPU와 그래픽 카드의 전력 제한이 점점 더 높아지고 칩의 온도가 최고치를 기록했다는 뉴스가 거의 매주 보도되고 있는 지금이야말로 오늘날의 PC 구성 요소에 대해 얼마나 뜨거운 것이 너무 뜨거운 것일까라는 간단한 질문을 던지기에 가장 좋은 시기인 것 같습니다.

아래는 PC 하드웨어의 최대 온도에 대한 기준점이지만, 이 질문에 제대로 답하는 것은 생각만큼 간단하지 않습니다. 따라서 컴퓨터 내부를 자세히 들여다보면서 작업할 때 컴퓨터가 뜨거워지는 이유, 너무 뜨거워지면 어떤 일이 일어나는지, 그리고 이에 대해 무엇을 할 수 있는지 살펴봅시다.

최대 온도 범위 요약 표 

PC의 여러 부품이 뜨거워지는 이유를 살펴보기 전에, 소비자 시장에서 흔히 접할 수 있는 일반적인 최대 온도를 요약해 보겠습니다. 

특수한 산업 상황에서는 한계가 훨씬 더 높을 수 있습니다. 예를 들어 자동차 애플리케이션의 RAM은 130°C까지 정격화될 수 있습니다. 

PC 부품이 뜨거워지는 이유는 무엇인가요? 

모든 컴퓨터 칩: CPU, GPU, DRAM, NAND 플래시 등은 반도체(예: 실리콘), 금속(예: 구리), 세라믹, 플라스틱 등 여러 가지 재료로 만들어집니다. 칩이 의도한 대로 작동하는 것은 반도체와 금속 층을 통한 전하의 흐름과 저장입니다. 

안타깝게도 이러한 재료는 이러한 흐름에 저항하거나 저장된 전하를 누설하여 전하가 전달하는 에너지가 열로 발산됩니다. 오늘날의 칩은 수십억 개의 부품으로 구성되어 있으며, 모두 어지러울 정도로 많은 흔적을 통해 연결되어 있기 때문에 열로 손실되는 에너지의 양이 상당히 많습니다.

다양한 재료가 이 열을 흡수하여 온도를 상승시키는데, 그 정도는 전적으로 재료 자체에 따라 달라집니다. 순수 실리콘은 같은 양의 순수 구리보다 온도가 상승하는 데 필요한 열 에너지가 적습니다.

칩의 온도가 상승하면 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 금속은 뜨거워질수록 저항이 증가하는 반면, 반도체는 일반적으로 저항이 감소합니다. 전반적으로 장치의 전기적 동작이 변경되지만 엔지니어는 다양한 온도 범위에서 설계를 테스트하여 작동 범위를 파악합니다. 온도가 너무 높거나 낮으면 칩에 심각한 문제가 발생할 수 있습니다.

CPU와 GPU의 온도를 특정 한계 이하로 유지하는 중요한 이유 중 하나는 누설입니다. PC 내부에서 실행되는 프로세서에는 수십억 개의 FinFET 트랜지스터가 포함되어 있으며(다른 구성 요소는 MOSFET을 사용하는 경향이 있음), 미세한 크기로 인해 전하가 이동하지 않아야 할 곳으로 이동하게 됩니다. 스위치가 '꺼짐' 상태일 때는 전류가 흐르지 않아야 하지만 누설이 발생하면 소량의 전류가 흐르게 됩니다.

여기에 수천만 개를 곱하면 최종적으로 프로세서가 예상보다 훨씬 더 많은 전력을 사용하게 됩니다. 그리고 안타깝게도 온도가 높을수록 이 문제는 기하급수적으로 악화됩니다.

이것이 바로 명확하게 정의된 최대 온도 제한이 있는 이유입니다. 심각한 누출로 이어지거나 다른 지속적인 문제(예: 전자 이동)를 악화시키거나 물리적 문제(접점 확장, 패키지 손상)를 유발할 수 있는 온도에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.

CPU와 GPU의 최고 온도는 얼마인가요? 

CPU의 경우, 제한되는 최고 온도를 살펴볼 때 명심해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

인텔은 최소 10년 동안 모든 모델에 대해 두 가지 온도 제한을 CPU에 적용했습니다. 첫 번째는 Tjunction 또는 Tj max라고 합니다. 이는 열 제어 시스템이 작동하여 열을 다시 제어하기 전에 프로세서가 허용하는 최대 열 접합 온도입니다("열 스로틀링"이라고도 함). 이는 클럭 속도와 경우에 따라 전압을 낮추는 방식으로 이루어집니다.

이 온도는 사실상 칩 자체의 중앙에 있지만, 최신 프로세서는 이를 기록하기 위해 다이 곳곳에 여러 개의 센서를 배치합니다.

두 번째인 T케이스는 적절한 쿨러와 함께 사용할 때 CPU 패키지(금속 히트 스프레더 표면)가 이상적으로 도달해야 하는 최고 온도이므로 엄격한 제한이라기보다는 목표 온도에 가깝습니다. 이 온도에서 실행해도 CPU는 아무것도 변하지 않습니다.

이 온도를 측정하는 것은 까다로울 수 있으므로 마더보드 제조업체는 케이스가 얼마나 뜨거운지 추정하기 위해 CPU 소켓에 하나 또는 두 개의 센서를 포함합니다.

코어 수, 클럭 속도, 전력 사용량이 증가했음에도 불구하고 인텔은 계속해서 72°C의 T케이스와 최대 100°C의 T정션을 지정하고 있습니다.

AMD는 프로세서에 비슷한 시스템을 사용하지만 최대 온도가 105°C로 조금 더 높은 경우가 많습니다. 

GPUs

오늘날의 GPU는 최대 온도가 하나뿐인 경향이 있습니다: Tjunction. 이는 CPU와 훨씬 오래된 GPU가 히트 스프레더 또는 기타 재료로 캡슐화되어 있는 반면, 다이가 냉각 시스템과 직접 접촉하기 때문입니다(따라서 T케이스 값이 필요함).

중앙 프로세서와 마찬가지로 그래픽 카드에는 다이 주변에 여러 개의 센서가 있으며, 보고된 온도는 일반적으로 기록된 값의 평균일 뿐이며, 때로는 칩의 나머지 부분보다 15도 이상 높은 값을 보고하는 개별 센서가 "핫 스팟" 수치로 선언됩니다.

공급업체와 모델에 따라 써멀 스로틀링(클럭 속도 및 전압 감소)은 일반적으로 가장 높은 단일 값이 아닌 모든 온도 센서의 값을 기반으로 합니다.

그래픽 칩은 대부분의 CPU보다 전력 수준이 훨씬 높은 경향이 있으므로 결과적으로 온도 제한이 더 낮습니다. 예를 들어, 450W TDP를 가진 Nvidia의 GeForce RTX 4090의 최대 온도는 88°C입니다. 다른 모델들은 이보다 약간 낮지만 대부분 80~90도 범위 내에 있습니다.

AMD GPU는 종종 엔비디아보다 더 높은 Tjunction 값을 가지며, 최근에 출시된 Radeon RX 7900 XTX와 일부 구형 모델은 110°C의 제한을 가지고 있습니다. 이는 특별한 이유가 있는 것이 아니라 엔지니어가 칩을 이렇게 설계했기 때문일 수 있습니다.

그렇다면 PC 내부에 더 높은 온도에 대응할 수 있는 장치가 있는가, 아니면 이것이 일반적인 한계인가라는 간단한 질문이 생깁니다.

다른 PC 부품은 얼마나 뜨거워야 할까요? 

다른 일반적인 PC 부품을 살펴봅시다. DIMM 및 그래픽 카드의 DRAM 모듈은 CPU와 비슷한 최대 접합 온도를 가지며, DDR4/5 및 GDDR6/6X는 85~100°C 사이의 제한을 가지고 있습니다.

시스템 메모리에 사용되는 칩은 거대한 중앙 및 그래픽 프로세서보다 훨씬 적은 전력을 소비하므로 훨씬 더 높은 온도에 대처할 수 있을 것이라고 생각할 수 있습니다. 하지만 작은 메모리 칩은 항상 보호 물질로 둘러싸여 있기 때문에 열을 전달하기가 쉽지 않습니다.

다행히 시스템 메모리에 사용되는 DRAM은 그렇게 뜨거워질 가능성이 거의 없지만, 그래픽 카드 VRAM용 특수 모듈은 매우 뜨거워질 수 있으며 부하가 걸리면 80°C 이상에 도달하는 경우가 드물지 않습니다.

하지만 CPU와 마찬가지로 한계를 계속 초과하지 않는 한 고온에서도 완벽하게 작동합니다.

하드 디스크 드라이브는 실리콘 칩과는 정반대입니다. 매우 정밀한 물리적 허용 오차를 유지해야 하기 때문에 온도에 훨씬 덜 견디며, 일반적으로 최대 작동 온도는 약 60°C입니다. 

물론 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)는 움직이는 부품이 없으므로 다른 반도체 장치와 마찬가지로 85°C가 일반적인 최대 온도입니다.

더 뜨거운 하드웨어 

지금까지 위의 모든 구성 요소는 110도 미만이었지만, PC에는 매우 높은 온도에서도 작동할 수 있는 장치가 있습니다. 마더보드와 그래픽 카드 곳곳에 장착된 전압 레귤레이터 모듈(VRM)은 고정 전압에서 많은 전류를 공급하며 오늘날의 프로세서와 함께 꽤 열심히 작동합니다.

일부 제품은 최대 175°C까지 작동하는 등 온도 제한이 상당히 높지만 150°C가 더 일반적입니다. 하지만 앞서 언급한 다른 부품과 마찬가지로 일상적인 PC에서는 이 정도로 뜨겁게 작동하지는 않습니다.

가정용 컴퓨터 내부의 온도는 대형 프로세서의 경우 100~110°C, 특정 구성 요소의 경우 60도 이하로 거의 비슷합니다.

물론 특수한 역할을 수행하는 컴퓨터는 더 열악한 환경을 처리해야 하므로 더 높은 온도에 대처해야 할 수도 있지만, 이러한 컴퓨터는 모든 것을 처리할 수 있도록 설계된 맞춤형 구성 요소로 가득 차 있을 것입니다. 그렇다면 칩이 항상 온도 제한 근처에서 작동하는 것이 나쁜 것일까요?

고온에서 칩을 실행해도 되는 이유와 안 되는 이유 

써멀 스로틀링이 발생하기 전 최대 온도가 100°C인 CPU와 GPU가 모두 90°C에서 정상적으로 작동하는 PC를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 예상과 달리 칩이 이렇게 뜨거워지는 것이 마음에 들지 않을 수도 있지만, 칩은 이 수준에서 작동하도록 설계되었기 때문에 완전히 괜찮습니다.

항상 한계에 가깝게 실행하는 것이 프로세서의 장기적인 상태에 좋지 않다고 주장할 수도 있지만 반드시 그런 것은 아닙니다. 장치가 지정된 범위 내에서 실행되는 한 고온으로 인해 제품 수명이 단축되지는 않습니다.

이는 해당 온도에서 구성 요소가 수행하는 작업에 따라 달라집니다. 예를 들어 해당 장치가 노트북의 CPU이고 게임 중에 95°C에 도달한다고 가정해 보겠습니다.

AMD와 인텔 모두 칩이 사물을 모니터링하고 손상으로부터 스스로를 보호할 것이라며 이는 완벽하게 허용되는 현상이라고 말합니다. CPU가 영구적으로 그렇게 작동하는 것은 아니며, 잠깐의 고온은 문제가 되지 않습니다.

하지만 웹 브라우징이나 다른 가벼운 작업을 하는 동안 칩이 95°C에서 작동했다면 우려할 만한 일이 될 수 있습니다. 매우 더운 환경에서 컴퓨터를 사용하지 않는 한, 가벼운 부하를 관리하는 동안 그 정도의 온도는 냉각에 문제가 있음을 나타냅니다.

지나치게 높은 전압은 열보다 더 큰 문제입니다... 

참고로, 허용 오차 범위가 더 미세하고 전압이 온도보다 반도체 동작에 더 큰 영향을 미치기 때문에 지나치게 높은 전압이 열보다 더 우려되는 문제입니다. 칩이 과열되는 것을 방지하는 안전장치가 있을 수 있지만, 너무 많은 전압을 사용하는 경우 보호할 수 있는 방법이 거의 없습니다.

그렇다고 해서 하루 종일 90°C에서 작동해도 괜찮다고 해서 반드시 그렇게 해야 한다는 의미는 아닙니다. 반도체 장치의 열 한계는 대류와 복사를 통해 주변 환경으로 열이 전달되는 단순한 메커니즘부터 대형 방열판과 고압 팬을 사용하는 것까지 어느 정도의 냉각이 이루어진다고 가정합니다.

시간이 지남에 따라 능동형 냉각 시스템은 열 재료가 마르고 팬/방열판이 먼지로 막혀 공기 흐름이 감소함에 따라 효율이 떨어집니다. 따라서 부품이 이미 온도 한계에 근접하여 작동하고 있는 경우, 항상 최적의 냉각을 위해 정기적으로 청소하지 않는 한 문제는 더욱 악화될 수밖에 없습니다.

또한, 겉으로 보기에 매우 높은 온도가 전적으로 앞서 언급한 문제 때문일 수도 있습니다. 스로틀링이 시작되기 전에 열이 더 상승할 수 있도록 10도 정도의 여유를 두는 것은 그리 큰 여유가 아닙니다. 기본값보다 높은 클럭 속도로 칩을 실행하면 거의 항상 작동 온도가 높아지기 때문에 PC 마니아의 경우 오버클러킹의 여지가 거의 없습니다.

따라서 항상 한계에 가깝게 실행하는 것이 실제로 나쁜 것은 아니지만, 가능하면 피하는 것이 좋습니다.

PC 내부 온도가 높은 경우 어떻게 해야 할까요? 

우선, 한 부품이 아닌 모든 부품의 수치를 모니터링하고 있는지 확인하세요. 이렇게 하면 시스템 전체에 발열 문제가 있는지 또는 단일 항목에 국한된 문제인지 확인할 수 있습니다. Windows에서 이 작업을 수행하는 데 가장 좋은 프로그램 중 하나는 무료이며 광범위한 칩 및 기타 장치의 열 센서를 인식하는 HWiNFO64입니다.

CPU로 넘어가서, 순정 CPU 쿨러는 그 자체로는 완벽하지만 많은 양의 열을 빠르게 이동시키도록 설계되지 않았습니다. 특히 전력 수준이 상당히 높은 AMD 또는 Intel의 최신 하이엔드 칩을 사용하는 경우 좋은 품질의 쿨러에 투자하는 것이 큰 차이를 만듭니다.

그래픽 카드에는 방열판과 팬이 미리 장착되어 있으며, 더 효율적인 것으로 교체할 수도 있지만 애초에 카드 주변에 공기 흐름이 원활하도록 하는 것이 더 좋습니다.

이것이 불가능하거나 이미 충분히 좋은 상태라면 카드의 전력 수준을 낮추는 것을 고려할 가치가 있습니다. GPU를 정상 전력의 75%로 실행하면 성능에는 큰 영향을 미치지 않지만 온도를 상당히 낮출 수 있습니다.

Dying Light 2와 GeForce RTX 2080 Super를 사용하여 최대 전력 제한을 낮추는 것이(MSI 애프터버너를 사용하여) GPU의 온도와 전반적인 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다. 다른 게임에서는 분명히 다른 결과가 나오겠지만, 프레임 속도 감소를 신경 쓰지 않는다면 그래픽 카드의 발열 수준을 낮추는 것이 매우 쉽다는 것을 보여줍니다.

노트북과 같이 일부 그래픽 프로세서에서는 이 작업을 수행할 수 없으므로 이러한 경우에는 FPS를 제한하거나(게임에 해당 옵션이 있는 경우), 비동기화를 사용하거나, 해상도/그래픽 설정을 낮추어 GPU가 더 쉽게 작업할 수 있도록 하는 것이 좋습니다.

온도를 제어하는 가장 좋은 방법은 구성 요소에 적절한 공기가 흐르고 공기가 시스템에서 최대한 쉽게 빠져나가도록 하는 것입니다. 데스크톱 PC의 경우 적절한 케이스를 선택하고 고품질 팬을 장착하는 것이 좋습니다. 노트북 사용자는 이러한 사치를 누릴 수 없으므로 가능한 한 깨끗하게 유지하고 통풍구가 막히지 않도록 항상 평평한 표면에서 사용하세요.

출처 : 테크스팟