IT 용어집 TDP가 뭐지? 소비전력 아니야?

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18 IT 용어집 TDP가 뭐지? 소비전력 아니야? QM센스 8 40564 2018.08.13 15:37

TDP는 전력 및 쿨링 지표를 나타내기 위한 숫자 TDP, 풀어쓰면 Thermal Design Power(열 설계 전력)라고 한다. 원래 유래는 PC 시스템 설계자에게 전력 및 쿨링에 관한 지표를 나타 내기위한 숫자이다. 예를 들어 인텔 제품의 사양을 확인할 수 있는 ark.intel.com를 보면 Core i7-8700K는 TDP가 95W로 표시되어있다. 즉, (요즘은 별로 볼일이 없어졌지만) 100W 백열 전구보다 약간 낮은 정도의 소비 전력과 발열이되는 셈이다.<img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534141989_1833.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___394658394.jpg">  여담이지만, 100W의 백열등의 에너지 변환 효율(소비 전력 중 빛에 사용되는 분량)은 2.3 ~ 2.6% 정도라고 하며, 100W의 소비 전력 중 97W는 발열로 발산되는 것이다. LED 조명은(뭐가 더 나은지는 모르겠지만) 15 ~ 25% 정도의 에너지 변환 효율이 있고, 따라서 더 적은 소비 전력으로 같은 정도의 밝기를 제공 할 수 있다. 이론적으로는 40% 정도까지 간다고 하지만, 제품 수준에서는 아직 여기까지 효율이 높은 것은 존재하지 않는다. 이야기를 되돌려서 Core i7-8700K를 사용한 PC를 만들 경우 케이스에 100W의 백열등이 1개 있다는 가정하에 전원 회로 및 냉각 구조를 생각하면 좋다. 전력은 100W를 안정적으로 공급 할 수 있는 구조면 되지만, 쿨링은 이야기가 좀 더 복잡해진다. 예를 들어 케이스 외부의 온도가 20도라는 가정하에 20도의 공기를 가지고 CPU를 쿨링하여 결과적으로 CPU의 온도를 일정 범위(동작 보장 온도) 직전까지 높일 수 있다. 이 동작 보장 온도의 상한은 당연히 제조사에 따라 다르다. Core i7-8700K의 경우는 Tjunction 온도가 100도 이하일 것으로 요구되고 있다. 그러나 동작 보증 온도는 여유가 너무 없기 때문에, 보통은 40 ~ 50도 이하로 억제하도록 냉각 방식을 궁리한다. 이것은 단순히 CPU 쿨러의 선정뿐만 아니라 PC 케이스 내부의 공기 흐름과 공기량 등도 영향을 준다. 이 TDP라는 지표가 어느 시점에서 등장했는지에 대한 정확한 자료는 없지만, Pentium 데이터 시트의 소비 전력에는 "Active Power Dissipation"라는 표기로, 순수 소비 전력이 적혀있다. <img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142089_3769.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___1003244783.jpg"> 그러나 Pentium Pro에서는 이미 PMAX로 Thermal Design Power라는 항목이 데이터 시트에 나와있기 때문에 아마도 Pentium Pro 세대에서 도입 된 것으로 보인다. <img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142110_9153.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___1267701511.jpg"> 덧붙여서 AMD의 경우에는 K6에서 TDP(당시 표현은 Thermal Power이었다)가 있는 것으로 알려져 있으며, 아마도 K6 세대에서 도입 된 것으로 보인다.<img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142129_5472.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___1521965767.jpg">     Turbo 기능의 구현으로 TDP와 소비 전력에 괴리가 발생 K6 및 Pentium Pro 세대까지는 대체로 "전력 ≒ TDP"의 도식이 성립했고, 그 후에도 당분간은 그다지 큰 차이가 없는 채로 남아 있었다. 이것이 어긋나 시작하는 것은 인텔이 Pentium 4, AMD는 FX 시대부터이다. 모두 IPC(Instruction per Clock)는 적당히 하고, 동작 주파수를 마음껏 끌어 올리는 방향의 프로세서이다. 필연적으로 소비 전력도 증가하게 된 것이지만, 반대로 이러한 프로세서는 부하가 걸려있을 때와 걸리지 않을 때에 소비 전력의 차이가 매우 크다는 특징을 가진다. 따라서 아래와 같이 발열과 전력 소비 사이에 명확한 차이가 생기기 시작되었다. 소비 전력이 갑자기 높아져도 온도가 상승하기까지 약간(몇 밀리 초이지만)의 차이가 생기게 된 것이다. 즉, 발열은 95W라도 전력 자체는 110W 정도의 경우가 자주 나오게 된다. <img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142174_7909.png" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___1393363906.png">   이러한 경향은 이후 인텔과 AMD가 일시적으로 동작 주파수를 끌어 올리는 Turbo 기능을 구현함으로써 더욱 두드러졌다. 그래프로 설명하자면, 녹색 점선으로 둘러싼 것이 이에 해당한다. 아주 짧은 시간 동안 동작 주파수를 높이면 전력도 이에 따라 급격히 증가하지만, 발열이 증가하는 것은 한 박자 늦게 시작된다. 그 때 급격히 소비 전력이 낮아지면, 즉 Turbo 동작이 순간적으로 끝나면, 발열은 그다지 증가하지 않게된다. 이 부근 때문에 소비 전력과 TDP는 크게 차이가 나게 되었다. 물론, 동작 주파수를 전혀 바꾸지 않고 오로지 풀 회전 상태, 예를 들어 전체 코어를 사용한 렌더링 및 인코딩, 기업의 서버 종류나 시간이 오래 걸리는 과학 기술 계산 등의 경우에는 소비 전력 과 TDP가 거의 일치한다.또한 원래 TDP가 낮은 환경, 인텔로 말하자면 Core m 제품 등이 이에 해당하는데, 이 경우에도 동작 주파수를 변화 시킨다고해도 원래 발열이 매우 작기 때문에 소비 전력과 TDP의 괴리가 크지않다. 문제는 특히 데스크톱 PC 등으로 TDP와 소비전력의 괴리가 크다. 예를 들어 Core i7-8700K의 경우. 정격 클록(Processor Base Frequency)은 3.7GHz이며, Max Turbo Frequency는 1GHz높은 최대 4.7GHz이다.TDP는 95W지만, TDP의 정의는 인텔에 따르면 "Thermal Design Power (TDP) represents the average power, in watts, the processor dissipates when operating at Base Frequency with all cores active under an Intel-defined, high-complexity workload"라고 되어있다. 대략적으로 번역하면 "TDP는 평균 소비 전력, 즉 Base Frequency에서 모든 코어가 작동하고있는 상태에서 인텔이 정의하는 복잡한 워크로드를 실행 한 경우 프로세서가 소비하는 전력을 W로 표현하고있다"가 된다.즉, 3.7GHz에서 모든 코어가 동작하는 상태에서의 소비 전력에 해당하는 것이 TDP이며, Turbo가 걸린 상태에서 일시적으로 이를 초과하는 경우가 당연히 있을 수 있다. 이 결과, 설계자에게 TDP와는 별도로 전원 설계 지침이 제시되어 있으며, 여기에서 최대 전력을 짐작할 수 있게 되어있다. Core i7-8700K의 경우 데이터 시트에 따르면 프로세서당 최대 138A를 보낼 수 있도록 할 필요가 있다고 한다.<img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142196_2703.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___2083155077.jpg">그렇다면, 전류가 최대 138A 이라면 전압은? 이라는 질문이 생기는데 이는 다른 곳에서 확인할 수 있다. S 시리즈의 경우에는 최대 1.54V, 일반적으로는 1.05V이며, 1.05 × 138 = 144.9W라는 무서운 숫자가 나온다. 물론 이것은 순간적인 것이며 항상 이정도가 소비되지는 않는다. MAX는 어디 까지나 사양의 최대 값이며, 실제로 여기까지가는 일은 없을 것이지만, 95W보다 높아지는 것은 다반사이고, 메인보드 설계자는 최대 145W에 대비해야 한다.이것의 사정은 AMD도 마찬가지다. AMD는 Ryzen에서 XFR(Extended Frequency Range)로 더 동작 주파수를 끌어 올리는 구조를 적용했기 때문에 더 괴리가 커진다고 해야 할 것이다. 단, 발열이 높아지고 열 마진이 줄어들면 동작 주파수가 서서히 줄어들게 되므로 장기적으로 보면 소비 전력과 TDP는 가까워진다. 그 의미는 "전력 ≒ TDP"의 도식에서 그렇게 벗어나지 않은 것이지만, 현실적으로는 "전력 ≒ TDP + α"정도로 생각해 두는 것이 무난하다.   인텔과 AMD는 TDP의 정의가 다르기 때문에 AMD 쪽이 약간 수치가 높다그런데, 인텔과 AMD는 TDP의 정의가 다를까? 인데, 이것은 정답이라고 답변할 수 있다.먼저 인텔의 TDP 정의에서 "인텔이 정의하는 복잡한 워크로드를 실행 한 경우"라는 문구가 들어 있는데, 인텔은 이 정의를 공개하지 않는다. 그렇다면 AMD는? 이라고하면 이전에는 TDP = 최대 소비 전력이었다. 자료의 연식이 있는 K10 기반 Opteron의 Power and Thermal Datasheet에서 발췌한 것이다.OS1352WBJ4BGH(Opteron 1352 : 쿼드 코어, 2.1GHz 구동의 Opteron 1P)의 TDP는 싱글 프로세서가 114.1W인데, 전압은 1.15 ~ 1.25V, 전류는 89.8A이며, 곱셈하면 103.27 ~ 112.25W가 되므로, TDP는 이 최대 값을 초과하여 설정되어있는 것을 알 수 있다.<img title="ea483d0890cb0dd40cf0660d73e06651_1534142259_8811.jpg" style="height: auto; max-width: 100%;" src="https://img2.quasarzone.co.kr/img/data/img/editor/1808/1808___2136610661.jpg">무엇보다 K8, 즉 65nm 공정의 Barcelona 세대에서는 너무 소비 전력이 높아서 2007년경에 AMD는 ACP(Average CPU Power)라는 정의를 결국 제시했지만 보급하지 않고 유지하다가 45nm 공정의 Shanghai 세대로 크게 소비 전력을 감소 시켜서 다시 TDP로 돌아온 경우도있다. 그렇다면 최근에는 어떨까? Ryzen은 데이터 시트가 공개되어 있지 않기 때문에 단언 할 수 없지만, 기본적으로 "최대 소비 전력 ≒ TDP"노선을 답습하고 있는 것 같다. 따라서 인텔과 비교하면 AMD 쪽이 약간 TDP 수치가 커지는 경향이있는 것은 틀림 없다.설계자의 경우 "TDP가 크다 = 더 큰 냉각 능력이 필요하다"라는 이유로, 특히 요즘의 노트북 PC처럼 직전까지 몰아 넣은 디자인을 하고 싶은 경우에는 좀 더 현실적인 숫자를 기재하라는 요청이 당연히 늘어날 것이다. 이에 따라 2013년경에는 SDP(Scenario Design Power)라는 수치를 사용헀던 적도 있었다. 특정 애플리케이션을 실행하는 시나리오에 따라 이용하면 어느 정도의 전력이 소모되는 지를 보여준다. 그러나 이것도 ACP와 마찬가지로 그다지 널리 사용되지 않고 끝나 버렸다.이것으로 인텔과 AMD의 TDP 사이에는 여전히 차이가있다(AMD 쪽이 숫자가 높다) 라는 것을 염두해 두는 편이 좋을 것이다.출처 ascii.jp

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