CPU의 열 전달 성능(Heat Transfer Coefficient, HTC)과 열 플럭스(Heat Flux) 에 대한 분석

이 이미지는 CPU의 열 전달 성능(Heat Transfer Coefficient, HTC)과 열 플럭스(Heat Flux) 에 대한 분석을 보여주는 과학적 자료입니다. 두 개의 주요 부분으로 구성되어 있습니다:

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(a) 그래프 & 표 분석

그래프 (좌측)

• X축: Heat Flux q′′q'' (W/cm²)
  • CPU에서 방출되는 열량(단위 면적당).
  • 일반적으로 높은 클럭 속도와 높은 전력 소비(TDP)를 가진 CPU는 더 높은 열 플럭스를 가짐.
• Y축: Heat Transfer Coefficient (HTC, W/m²K)
  • CPU에서 열을 얼마나 효율적으로 방출하는지 나타내는 지표.
  • 높은 HTC일수록 열이 빠르게 전도됨.
• 곡선:
  • HTC는 초기에는 빠르게 증가하지만, 일정 수준에서 점진적으로 증가하는 경향을 보임.
  • 열 제거 방식(공기 냉각, 액체 냉각 등)에 따라 HTC 값이 다름.
  • 표시된 구역:
    • NC Air (Natural Convection Air): 자연 대류 공기 냉각
    • NC HFE (Natural Convection HFE): 자연 대류를 이용한 특수 액체 냉각
    • FC Air (Forced Convection Air): 강제 공기 냉각 (팬 사용)
    • FC/Boiling HFE (Forced Convection + Boiling HFE): 강제 냉각과 함께 액체의 끓음 현상 활용
• CPU Heat Flux Range (녹색 영역):
  • 현재 일반적인 CPU들이 발생하는 열 플럭스의 범위 (0110 W/cm²)
  • 대부분의 CPU가 강제 공기 냉각(FC Air)에서 작동하는 수준.

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표 (우측)

이 표는 다양한 CPU의 열적 특성을 비교한 데이터입니다.

• Lc (mm): CPU 다이 크기 (방열면적)
• TDP (W): Thermal Design Power (열 설계 전력)
• Heat Flux q′′q'' (W/cm²): 단위 면적당 방출되는 열량

주요 패턴

1. 고성능 CPU일수록 높은 TDP와 Heat Flux를 가짐.
   • 예:
     • Intel i9-12900K (Turbo) → TDP 241W, q′′=112.0q'' = 112.0 W/cm²
     • AMD Threadripper 3960X → TDP 280W, q′′=94.6q'' = 94.6 W/cm²
2. CPU 다이 크기(Lc)가 작을수록 q′′q'' 가 증가.
   • 예: Intel i7-7740X (Lc = 11.2mm, q′′=88.9q'' = 88.9 W/cm²)
   • 작은 면적에서 더 많은 열을 방출해야 하므로 열 밀도가 증가함.
3. AMD Ryzen 시리즈는 상대적으로 낮은 q′′q'' 를 보임.
   • Ryzen 9 5950X (64.0 W/cm²)
   • 이는 AMD의 다이 설계(칩렛 구조) 때문일 가능성이 있음.

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(b) CPU 열전달 모델 (우측 그림 분석)

이 그림은 CPU 내부의 열 저항 모델을 보여줍니다.

• 구성 요소:
  • Die (CPU 코어, 빨간색): 가장 높은 열 플럭스를 가짐.
  • TIM1 (Thermal Interface Material 1, 노란색): CPU 다이와 IHS(히트스프레더) 사이의 열전도 물질.
  • IHS (Integrated Heat Spreader, 녹색): CPU 표면을 덮는 금속판으로, 열을 고르게 퍼뜨리는 역할.
  • TIM2 (Thermal Interface Material 2, 노란색): IHS와 히트싱크 사이의 열전도 물질.
  • Heat Sink (회색): CPU에서 방출된 열을 흡수하여 공기 또는 액체로 전달.
• 열 저항 경로:
  • 열 흐름 (QQ)이 CPU 내부에서 방열판으로 이동하면서 여러 열 저항 요소를 거침.
  • RDieR_{Die}, RTIM1R_{TIM1}, RIHSR_{IHS}, RTIM2R_{TIM2}, RHEXR_{HEX} 순으로 열 저항을 가짐.
  • TIM(Thermal Interface Material)이 좋지 않으면 열 저항이 증가하고 열 방출이 어려워짐.

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결론 및 주요 시사점

1. CPU의 열 플럭스 범위는 약 50~110 W/cm²이며, 대부분의 공냉 방식에서 처리 가능.
2. 고성능 CPU는 높은 TDP를 가지며, 다이 크기가 작을수록 단위 면적당 방출하는 열량이 증가.
3. 열전달 성능을 높이려면 TIM(열전도 물질)과 히트싱크의 품질이 중요.
4. 강제 대류 냉각(FC Air) 이상의 냉각 방식이 필요한 CPU가 증가하고 있음 (예: i9-12900K, Threadripper 3960X).
5. CPU 열 관리를 위해 열저항(R) 요소를 줄이는 것이 중요 (예: 리퀴드 메탈 TIM 사용).

이 데이터는 CPU 열 관리 전략을 수립하는 데 유용하며, 공냉과 수냉 시스템 설계에 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.