IT 인사이드: 퀘이사존 공식 기획기사

CPU의 TDP와 온도는 어떻게 측정되지?

CPU의 TDP와 온도, 그를 둘러싼 다양한 관점

QM포시포시

30 16659 38 2023.06.23 16:35

<img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/6ae41cbcca9ba1035fe57a1edb4f7f22.jpg" alt="퀘이사존"> <div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">    인텔, AMD 양사 간 CPU 시장에서 치열하게 경쟁하면서 이 CPU를 둘러싸고 많은 토론이 오가는 분야가 있습니다. 바로 전력 소모와 온도이죠. 특히 이 전력 소모와 온도는 CPU 쿨러 선택, 쿨러 소음의 원인 중 하나기 때문에 CPU 관련 토론에서 빠지지 않는 주제이기도 합니다.     그런 만큼 CPU 온도, 전력 소모는 이야깃거리의 단골 주제인데요. 인텔, AMD를 서로 비교하기엔 정말 다양한 이야기, 고려 사항이 있습니다. 또 각 기업별로 시각 차이를 보이는 부분도 있죠. 이번 칼럼에서 양사 제품의 전력 소모, 온도 차이와 이를 둘러싼 시각 차이를 살펴보도록 하겠습니다. </td></tr></tbody></table></div> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/9781d85c61167252dd3dcc13172181f8.png" alt="퀘이사존"> <div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">    CPU 온도와 전력 소모 관해서 인텔, AMD가 차이를 보이는 대표적인 부분 중 하나는 바로 TDP입니다. TDP는 CPU가 내뿜는 이론상 최대 열에너지, 발열량을 W(와트) 단위로 표기한 것입니다. 소비 전력과는 다른 개념입니다. 쿨러 TDP W 수치도 얼마나 많은 열에너지를 해소할 수 있는지 알려줍니다. 

    TDP W와 소비 전력 W는 다른 의미이지만, 서로 밀접한 관련이 있습니다. 때문에 TDP 수치를 통해 소비 전력을 가늠하기도 합니다. 하지만 이 TDP 산정 방식에는 명확한 기준이 없습니다. 기업마다, 제품마다 다르게 측정하곤 하죠.</td></tr></tbody></table> </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);"><h5 style="text-align: center; line-height: 2; min-height: 30px;">인텔 CPU TDP</h5>     인텔은 TDP를 CPU의 모든 코어 부하가 가해지며 기본 클럭에서 작동할 때 프로세서의 평균 소비 전력이라고 정의하고 있습니다. i9-13900K를 예로, 모든 코어에 부하가 가해지는 상황에서 기본 클럭인 P-코어 3.0 GHz, E-코어 2.2 GHz 클록에서 동작하는 경우의 발열량인 125 W가 i9-13900K의 TDP로 규정됩니다. 하지만 이러한 인텔 TDP 기준은 최근 상급 CPU의 소비전력이 200 W, 많으면 250 W 이상을 소모 하면서 CPU의 실제 발열량을 온전히 대변하기 어렵다는 지적이 많이 있습니다. 때문에 소비자들 사이에선 인텔 TDP는 믿을게 못된다는 이야기가 널리 퍼졌죠.     인텔은 12세대 CPU부터 TDP 대신 PBP(Processor Base Power)라는 좀 더 명확한 표현을 쓰고 있습니다. 거기에 CPU 부스트 작동에서 최대로 소비될 수 있는 전력을 MTP(Maximum Turbo Power)으로 정의해 안내하고 있습니다. 여기서 PBP와 MTP는 각각 지난 CPU 부스트 칼럼에서 설명한 PL1, PL2 값입니다.</td></tr></tbody></table> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/22/90447f5cc19cba18c0d395a5466cebb1.jpg" alt="퀘이사존"> </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);"><h5 style="text-align: center; line-height: 2; min-height: 30px;">AMD CPU TDP</h5>     AMD는 인텔과는 다른 방식으로 TDP를 정의하고 있습니다. 특별한 수식으로 TDP 수치를 정의하는데요. 그 수식은 다음과 같습니다.

TDP (W) = (tCase °C - tAmbient °C)/(HSF θca)

    이 식은 TDP (W)는 tCase(CPU IHS의 최대 온도)에서 tAmbient(최대 주변 온도, 실온)를 뺀 값을 HSF* θca(AMD가 권장하는 최대 쿨러 열저항) 값으로 나눈 것입니다. 이 계산식을 통해 유도된 TDP를 AMD는 제조사에서 규정한 스펙을 달성하기 위한 쿨러 제조사의 참고 사항으로 쓰이는 지표라고 설명하고 있습니다. 실제 제품 소비 전력과는 거리가 있는 용어이죠.     * HSF: Heatsink and Fan. 히트싱크와 팬     그렇지만 이 TDP 수치는 AMD CPU에서 인텔 MTP와 비슷한 개념인 PPT를 비롯해 EDC, TDC 등 각종 전력, 전류 제한 스펙과 연관되어 있어 많이 관심을 갖는 스펙입니다. AMD CPU의 전력 제한에 해당하는 PPT 수치는 TDP 값의 1.35배로 기본 설정되어 있습니다.</td></tr></tbody></table> </div><div align="center"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/22/828b440d7079af007adb54fab59a8ad7.png" alt="퀘이사존"> </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">   그러나 AMD는 이 계산식에 필요한 각종 데이터를 공개하지 않고 있어, 일반 사용자가 이를 직접 확인하고 계산할 수 있는 방법은 매우 제한적입니다. 하지만 해외 유튜버인 GamerNexus는 AMD가 공개하지 않은 이 데이터를 내부 문서를 확보해 일부 공개했습니다. 계산된 값을 통해 각각 65, 95, 105 W TDP가 어떻게 산정된 값인지 알 수 있습니다.</td></tr></tbody></table></div><div align="center"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/22/d15501d5fe2200e1c68a71aeb8db3fd3.png" alt="퀘이사존"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/b717e0fa4c1a6a6e1d43d7f272bf004d.png" alt="퀘이사존"> </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">    인텔과 AMD 간 차이를 보이는 또 다른 분야는 온도입니다. 비슷한 출시 시기 제품 비교에서 인텔과 AMD CPU 중 어느 것이 더 뜨겁냐는 논쟁이 심심치 않게 보이기도 하죠. 사실 두 제품은 설계(공정, 아키텍처 등)도 다르고, 전력 관리 특성도 다르기 때문에 동등한 비교는 어렵지만, CPU 온도는 쿨러 소음과 직결된 문제여서 많이 거론되는 주제 중 하나입니다.

    CPU 온도는 정말 많은 요소가 관련되어 있습니다. 크게 CPU 부하에 따른 전력 소비량, 쿨링 설루션 역량 등이 있고 CPU 다이와 IHS*간 접합 정도, CPU 전압 편차, IHS와 쿨러 사이 밀착 정도, 쿨러 편차, 메인보드 전원부, 제조사 온도 제어 세팅 등 정말 많은 소요가 CPU 온도 및 전력 소비와 연관 있습니다. 그럼 CPU 제조사들은 어떤 방식으로 CPU 온도를 측정하고 있을까요?     *IHS: Integrated Heat Spreader. CPU 다이를 보호함과 동시에 CPU 쿨러 접촉 면적을 더 넓게 해주는 히트 스프레더 <h5 style="text-align: center; line-height: 2; min-height: 30px;">인텔 CPU 온도</h5>     인텔은 DTS(Digital Thermal Sensor)를 활용해 온도를 계산합니다. 인텔 DTS는 CPU 다이(die)에 있는 센서로, 이를 통해 온도를 계산합니다. 인텔은 이 DTS 센서 오차가 ±5 ℃에 불과하다고 설명하고 있습니다.     DTS를 통한 측정 값이 곧 CPU 온도인 것은 아닙니다. 대신 DTS는 CPU 한계 온도(Tjmax*)에서 얼마나 온도 여유(offset)가 있는지를 측정합니다. 즉, DTS를 통해 측정되는 값은 Distance to Tjmax입니다. 대부분 소프트웨어는 이 Distance to Tjmax 값을 기반으로 온도를 환산해 보여주는 것이죠. 간단한 예로, Tjmax가 100 ℃ 프로세서에서 DTS가 읽은 값(Distance to Tjmax)이 40이라면 CPU 온도는 60 ℃로 보고되는 방식입니다.     *Tjunction은 접합 온도로, 여기서 접합은 P형 반도체 - N형 반도체의 접합을 의미합니다. 통상적으로는 반도체 최심부 온도, 또는 반도체에서 가장 높은 온도를 뜻합니다. 정션 온도 혹은 Tj라고 줄여 쓰기도 하죠. 이 Tjunction 온도의 최댓값은 Tjmax라고 표현하며 주로 반도체의 온도 한계를 의미할 때 사용됩니다.  <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/d7d07b5727e9c75bf4b829e69f3357ee.png" alt="퀘이사존">     이 DTS를 통한 온도 산정 방식은 제품의 한계 온도(Tjmax)까지 얼마나 여유가 남았나를 계산하게 됩니다. 이 Distance to Tjmax 값은 써멀 쓰로틀링을 비롯한 OTP(Over Temperature Protection), PROCHOT(Processor Hot) 기능과도 연관 있습니다. 이 Tjmax를 BIOS를 통해 수정할 수 있지만, 스펙과 다르게 설정할 경우 적절한 타이밍에 보호 회로가 작동하지 않아 제품 손상의 여지가 있습니다.  <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/a1acd0f2afff60ab1840c3130c1559d6.png" alt="퀘이사존"><div style="text-align: center;">Tjmax가 100 ℃인 기본 설정. 한계 온도를 넘지 않도록 보호 회로 작동</div><div style="text-align: center;"> </div><div style="text-align: center;"><img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/6bda1a6d6577af26f20b2e426095dd22.png" alt="퀘이사존" style="background-color: transparent;"></div><div style="text-align: center;">Tjmax가 115 ℃로 설정된 상황. CPU 온도가 최고 107 ℃에도 Tjmax까지 여유가 8 ℃ 남아 쓰로틀링 이 걸리지 않음</div><div style="text-align: center;"> </div><div style="text-align: center;"><img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/c31776449abeb51012a870fef10b82da.png" alt="퀘이사존" style="background-color: transparent;"></div><div style="text-align: center;">Tjmax가 115 ℃로 설정된 상황. CPU 온도가 최고 113 ℃를 찍어야 쓰로틀링이 작동</div>     DTS가 시스템에 값을 전달할 때 MSR(Model Specific Register)과 PECI(Platform Environmental Control Interface)라는 두 가지 방법을 통해 전달됩니다. MSR로 전달될 경우 정보 요청이 왔을 때 그 순간의 DTS 값을 알려줍니다. 반면 PECI는 256 ms 동안 DTS를 통해 측정된 가장 높은 온도의 평균 값을 전달합니다. 인텔은 팬 컨트롤 등의 목적을 위해 PECI를 통한 CPU 온도 측정을 권장하고 있습니다.      한편, CPU에는 Tcase라는 온도 값도 있습니다. 이 Tcase 값은 인텔 CPU에선 IHS 정중앙 표면 온도 값으로, 주로 CPU 및 쿨러 개발 단계에서 TTV(Thermal Test Vehicle)를 통해 발열 특성을 살펴보기 위해 이용되는 지표입니다. 인텔 Core 시리즈의 Tcase 스펙은 통상 TDP/PBP를 타겟으로 측정하고 있습니다. <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/656a8aad3ee9a77a77738a30cd272e3b.jpg" alt="퀘이사존"> <h5 style="text-align: center; line-height: 2; min-height: 30px;">AMD CPU 온도</h5>     이 부분에서 AMD의 확실한 정보를 찾기는 쉽지 않았습니다. 인텔과 달리 AMD는 최신 제품에 대한 기술 문서나 백서 등, 데이터를 공개하지 않고 있기 때문인데요. 그렇기 때문에 서드파티 혹은 예전 자료를 참고할 수밖에 없는 한계가 있습니다.     AMD 라이젠 시리즈도 인텔과 비슷하게 다이에 온도 센서를 탑재해 측정하고 있습니다. CPU 코어뿐 아니라 주변 인터페이스, 메모리 컨트롤러 등 다이 전반에 걸쳐 많은 센서가 있습니다. 이 CPU 다이에 있는 온도 센서를 통해 읽어내는 온도는 SB-TSI(Side-Band Temperature Sensor Interface)라는 인터페이스를 통해 전달되고 AMD TCC(Temperature Calculation Circuit)를 통해 계산됩니다. 이를 통해 얻는 온도 값은 Tdie와 Tctl가 있습니다. <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/4f9e6f213f30d7a41332754d551e46db.png" alt="퀘이사존"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/97512ca20b66d5284d09f259fcaf2e1d.jpg" alt="퀘이사존">     Tdie는 CPU 다이 센서로, 실제 CPU 온도를 의미합니다. 물론 최종적으로 소프트웨어에 기록되는 과정에서 여러 보정, 작업 및 평균 계산 등이 이루어집니다. AMD 공식 소프트웨어인 Ryzen Master는 이 Tdie 평균 값을 읽어드리는 것으로 알려져 있습니다.     Tctl은 Tcontrol의 약자입니다. 이 Tctl은 CPU 팬 컨트롤을 위한 지표로, CPU 온도(Tdie)에 특정 값을 더한 오프셋 값입니다. 일부 Ryzen 프로세서는 특정 값이 Tdie에 추가되어 팬 컨트롤을 위한 Tctl이 설정되지만, 대부분 별도 추가 값 없이 Tdie와 Tctl이 동일한 값으로 설정되어 있습니다. <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/37441a251484408ea8847320e16e2802.png" alt="퀘이사존">     공통적으로 양사 모두 CPU 다이에 무수히 많은 온도 센서를 탑재하고 이를 1/1000 초, ms 단위로 세밀하게 측정하고 모니터링하고 있습니다. 또한 CPU 온도는 팬 컨트롤에 직접 영향을 주는 요소인 만큼, 팬 RPM이 급격하게 변하지 않도록 여러 자체 알고리즘 및 평균화 등을 통해 값을 보정하여 출력하고 있습니다.     이 온도 센서 처리 메커니즘이나 CPU 온도 센서가 정확히 CPU 다이에서 어느 위치에 탑재되어 있는지 등 세부 사항은 공개되어 있지 않은 경우가 많아 알 수 없는 부분도 분명 있습니다.      CPU 온도에 영향을 주는 또 다른 요인은 바로 CPU 다이 크기입니다. 효과적인 열 해소를 위해선 넓은 면적이 좋은 수단입니다. 하지만 CPU 다이 크기가 작으면 작을 수록 동일한 발열량(소비 전력)이라도 열 저항, 열 밀도가 증가해 열을 빠르게 식히기가 어렵습니다. 아래는 CPU 소비 전력이 100 W 일 때 열 밀도를 계산한 수치입니다. 동일 발열량일 때, 더 큰 다이 면적은 발열을 해소하기에 좀 더 용이합니다.</td></tr></tbody></table> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/b7e3a98c120cc364737fe597060e8c94.png" alt="퀘이사존"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/1b91e93d5ae5824b820354c8220c3e05.png" alt="퀘이사존"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/19/f3622da39a9a12c23ccc65fa117f868f.png" alt="퀘이사존" style="width: 1021px; height: 522px;"> 프로세서 다이 사이즈와 열저항 관계 </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentColor currentColor;width:800px;max-width: 100%" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">    위 자료에서 볼 수 있듯이, 동일하게 100 W 전력 소비(발열량)를 가정했을 때 다이 크기의 차이로 인해 제품마다 단위 면적당 발열량 차이를 보입니다. 다이 면적이 작아지면 질수록 면적당 발열량은 더 커지는 관계이죠. AMD CPU에서 발열 해소가 어렵다는 이야기가 나오는 것도 바로 이러한 맥락에서 나오는 것입니다. 반대로 인텔은 상대적으로 큰 면적을 갖고 있어 발열 해소에 상대적으로 용이합니다.</td></tr></tbody></table></div><div align="center"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/71baea3ddd43e6ae54f05efb4dd6ed85.png" alt="퀘이사존"> </div><div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="text-align: center; border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentcolor currentcolor; width: 800px; max-width: 100%;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);">■ TDP는 전력 소모와는 다르다    TDP는 표기가 W로 되어 있어 제품의 전력 소모량으로 오해하기 쉽습니다. 하지만 TDP W는 전력 측면의 W가 아니라 열에너지의 W입니다. TDP는 CPU의 발열량을 나타내는 지표 중 하나이지만, 소비자에게 도움 되기보단 쿨러 제조사 혹은 제품 설계 단계에 참고가 되는 지표입니다. 쿨러에 표기된 TDP 수치도 마찬가지죠. 때문에 요즈음 TDP 수치는 정중하게 무시하는 추세입니다. ■ CPU 온도 측정     인텔과 AMD 공통적으로 CPU 다이에서 온도를 측정하고 있습니다. 인텔의 경우 측정된 값을 한 번 더 계산을 해 최종 CPU 온도를 산출하는 방식이죠. 그렇지만 세부적으로 측정 센서가 어디에 위치해 있는지, 측정값을 시스템에 보여주는 과정에서 온도가 어떤 방식으로 보정되는지 등의 내용은 공개하지 않고 있습니다. 또, CPU 온도 비교는 두 회사의 방식이 동일하다고 볼 수 없기 때문에 AMD와 인텔 CPU 간 대등한 비교는 어려운 측면이 있습니다. ■ 그럼에도 꾸준히 이야기될 소재    높은 전력 소모는 곧 높은 발열량, 높은 온도로 직결되기 때문에 CPU에서 중요하게 생각되는 요소입니다. 하지만 전력 소모가 높다고 발열 해소 능력이 좋아 온도가 낮거나, 전력 소모는 적지만 발열 해소가 적절히 되지 않아 온도가 높은 경우 등, 전력 소모와 온도 관계는 여러 요소의 영향을 받습니다. 특히 온도는 CPU 쿨러 작동 기준이 되는 만큼, 전력 소모가 적든 많든 높은 온도는 CPU 쿨러 소음, 쓰로틀링 등 부정적인 영향을 주기 때문에 소비자들이 민감하게 받아들이는 요소 중 하나이기 때문이죠.</td></tr></tbody></table></div><div align="center"> <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2023/06/23/4cecc82cc76f463b9225cd5337972c15.jpg" alt="퀘이사존"> 인텔, CPU, AMD, 라이젠, Ryzen, Tctl, Tdie, 온도, Tcase, Tj, 정션 온도, TDP, 전력 소비, 소비 전력</div>