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퀘이사존 컴퓨텍스 2024 특집 기사 바로가기 + Point
안녕하세요. QM크크리입니다. 요즘 한여름이라 날씨가 참 덥습니다. 그래서 에어컨을 적극적으로 틀지 않는 한 방 안 기온도, 컴퓨터 부품 온도도 높게 나오기 마련입니다. 이에 따라 그래픽카드의 핫스팟Hot Spot 온도에 관심을 보이는 사례가 꾸준히 보이고 있습니다. 핫스팟 온도는 일반적으로 생각하는 '그래픽카드 온도'인 GPU 온도보다 몇십도 넘게 더 높은 온도를 보여 극단적으로는 110℃를 넘기는 온도를 보이기도 합니다. 그래도 제조사나 유통사에 이런 문제를 문의하면 정상이라고 답변합니다. 핫스팟 온도가 대체 뭐길래 그런 걸까요?
그래서 핫스팟 온도가 무슨 뜻인지 알아보고, 몇 가지 그래픽카드에서 간단한 비교를 통해 우리가 일반적으로 생각하는 '그래픽카드 온도'인 GPU 온도와 어떻게 다른지 한 번 보도록 하겠습니다.
▲ 구조도 및 적외선 사진 출처: tom's HARDWARE 포럼 사용자 CompuTronix(바로 가기)
CPU나 GPU가 뜨겁다고 하면 막연히 해당 칩세트 내부가 골고루 뜨겁다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 내부 구조나 사용 빈도에 따라 막대한 온도 차이가 존재합니다. 그중에서도 가장 뜨거운 부분을 '열점', 서멀 핫스팟thermal hotspot이라고 합니다. 뜨겁다고 다 같이 뜨거운 게 아니라 진짜로 뜨거운 부분은 따로 있다는 뜻입니다. MRI 엔지니어 Charlotte가 2007년부터 작성한 인텔 온도 가이드는 이미 코어 2 시절에도 적외선 사진상에 분명히 보일 정도의 열점 현상이 있음을 보여줍니다.
▲ 구조도 및 적외선 사진 출처: Intel
ExtremeTech가 2013년에 보도한 기사(바로 가기)는 CPU 외에도 내장 그래픽, 오디오 등을 가진 단일 칩 체제(SoC: System on Chip)가 어떤 열점을 가지는지를 잘 보여줍니다. 면적은 CPU 외의 부분이 더 크더라도 CPU를 사용하는 작업 중에는 CPU 내의 일부 유닛에 열 발생이 집중되기 때문에 이들의 온도가 작동 클록 등 성능을 더 올리기 힘들게 하는 제약이 됩니다.
이번 세대 그래픽카드에 대응하는 HWiNFO의 업데이트 후 GPU 핫스팟 온도Hot Spot Temperature를 별도로 확인할 수 있습니다. 재미있는 건 2014년도에 출시한 GTX 750 Ti 2GB 제품에서도 최신 HWiNFO를 사용하면 GPU 핫스팟 온도를 볼 수 있다는 점입니다. 결국 사용자의 눈에 노출되기 오래전부터 내부적으로는 GPU의 핫스팟 온도를 감시하고 있었다는 뜻입니다.
위 화면은 그래픽카드 부하가 낮은 작업 중에 찍었기에 전반적으로 온도가 낮게 나옵니다만, 그래도 GPU 핫스팟 온도는 바로 위의 GPU 온도보다 9~10℃ 정도 차이로 더 높은 온도를 보여줍니다.
이런 열 문제는 성능 경쟁으로 인한 전력 소모와 열 밀도 때문에 발생한 현상입니다. RTX 3080 이상의 상급 그래픽카드는 8,000개가 넘는 CUDA 코어가 초당 10억 회인 1,000 MHz를 훨씬 넘는 속도로 작동합니다. 5년, 10년 전 기준으로 본다면 어마어마한 사양과 성능입니다. 손바닥 크기도 안 되는 작은 칩세트에서 그만한 성능을 내기 위해 막대한 전력을 사용하다 보니 온도 문제가 불거질 수밖에 없습니다.
▲ 연도별 열 밀도 그래프. 클릭하면 커집니다(원본 크기로 보실 수 있습니다). 사진 출처: Semantic Scholar(바로 가기)
▲ 회로 설계(CD) 발전에 따른 열 밀도도 증가 추세, 코어2 듀오에서 한숨 돌린 모습입니다. 도해 출처: Intel
사실 반도체의 열 밀도 문제는 15년 전쯤 펜티엄 4 CPU가 한창일 때 가장 뜨거운 감자였고 지금은 오히려 잠잠해 보이기도 합니다. 한때는 반도체의 열 밀도가 핵 반응로, 로켓의 노즐, 태양의 표면 수준까지 도달하지 않을까 염려하던 시절도 있었습니다만, "코어2 듀오" 이후 효율적인 설계 구조microarchitecture와 전력 제한의 도입으로 저러한 참상이 실현되는 것은 피했습니다. 구글에서 cpu power density로 검색했을 때 나오는 그래프도 대부분 2010년도 이전에 작성된 추세 예측입니다.
그러나 문제가 사라진 것은 아닙니다. 더는 새로운 논점이 아닌 일상생활과 함께하는 지병이 된 느낌이랄까요.... 더구나 성능 경쟁이 계속되다 보니 상급 제품들은 전력 소모의 한계를 타협하고자 하는 욕망에 시달리고 있습니다. 이번 세대 그래픽카드의 최상위 제품군 중에는 400 W를 훌쩍 넘는 전력 소모를 보이는 제품도 있습니다. CPU도 라이젠 9 5950X나 코어 i9-12900K 같은 상급 제품에 PBO, ABT 기술을 활성화하거나, 코어 i9-12900KS같이 소위 '클록 차력 쇼'를 보여주는 경우 극도로 높은 전력 소모를 보입니다.
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거기에 다음 세대에서는 또다시 전력 소모가 대폭 늘어나리라는 루머는 많아도 그 반대로 예상하는 이야기는 찾아보기도 힘든 판입니다. 이러다 보니 반도체의 열 밀도와 핫스팟은 이미 오래전부터 문제가 되어왔음에도 성능 향상을 포기하지 않는 한 앞으로도 함께해야 할 문제입니다.
※ GPU 부하가 높은 작업 시 온도 경향을 보기 위해 2종 게임과 2종 소프트웨어를 구동하여 온도 측정을 진행하였습니다.
▲ 비교 영상 출처: Flowframes(바로 가기)
먼저 AMD의 레퍼런스 그래픽카드인 라데온 RX 6900 XT Ref.를 보겠습니다. 측정에 사용한 프로그램에 따라 차이는 있겠지만, 주목할 부분은 GPU 핫스팟입니다. 파란색 꺾은선은 우리가 통상 GPU 온도라고 부르는 결과를 보여줍니다. 하지만 GPU 핫스팟을 가리키는 붉은색 꺾은선은 GPU 온도보다 16~18 ℃ 정도 높은 위치를 점하고 있습니다.
반면 VRAM은 GPU 핫스팟 온도보다는 일반적으로 생각하는 'GPU 온도'에 가까운 편입니다. 현세대에서도 GDDR6를 사용하는 라데온 그래픽카드 특성상 VRAM 발열이 크지 않기 때문입니다. 메모리 관련 성능 향상은 특유의 인피니티 캐시 구조에 맡겼기에 현재 최상위 제품에도 GDDR6 메모리를 탑재하였습니다. 위 테스트 결과의 RX 6900 XT Ref.는 메모리 전송 속도가 16 Gbps로 경쟁 제품에 비해 다소 느린 편이고, 그만큼 메모리 발열과 온도에서는 유리한 편입니다.
▲ 클릭하면 고해상도 사진으로 감상할 수 있습니다.
NVIDIA의 RTX 3090 파운더스 에디션에서도 GPU 핫스팟 주목할만한 온도를 보입니다. 파란색 꺾은선은 우리가 통상 GPU 온도라고 부르는 결과를 보여줍니다. 하지만 GPU 핫스팟을 가리키는 붉은색 꺾은선은 GPU 온도보다 18~21℃ 정도 높은 위치를 점하고 있습니다.
그런데, VRAM은 GPU 핫스팟 온도보다 더 높은 온도를 보여주고 있습니다. RTX 3070 Ti 이상 그래픽카드에서 GDDR6X를 사용하는 지포스 RTX 30 시리즈의 구성 때문입니다. 전송 속도가 빠른 GDDR6X 메모리로 성능 향상을 극대화한 대신 발열과 온도 문제는 다소 희생한 구성이라 할 수 있습니다. 이 때문에 일부 사용자는 제품 보증을 포기하고서라도 GDDR6X 메모리의 온도를 낮추는 개조를 감행하기도 합니다(관련 뉴스 바로 가기).
특히 지금 테스트 결과를 보고 계시는 RTX 3090은 지난 2020년 9월에 출시된 제품으로 24 GB 메모리 용량을 탑재하기 위해 양면 메모리 구조를 채택하고 있습니다. 아무래도 PCB 뒷면의 메모리는 백플레이트에 냉각을 의존하게 되어 온도 관리에 불리한 편입니다. 여기에 19.5 Gbps에 달하는 GDDR6X 전송 속도가 내는 발열이 더해진 결과가 최대 104℃에 달하는 온도 측정 결과입니다.
GDDR6X 메모리는 PAM 4 변조라는 기술로 2개의 비트를 한 번에 전송하기 때문에 내부 클록이 같다면 GDDR6의 두 배 속도가 됩니다. GDDR6는 그래픽카드 정보를 보는 유명 유틸리티인 GPU-Z에서 보여주는 메모리 클록에 8을 곱해줘야 우리가 알고 있는 전송 속도가 나오는데, GDDR6X는 16을 곱해줘야 하는 것도 이 때문입니다.
실제로는 빠른 전송 속도로 인한 노이즈나 발열 문제 등으로 인해 GDDR6의 2배 속도를 내지는 못합니다. 그래도 GDDR6 탑재 제품의 메모리 전송 속도가 최고 16 Gbps이던 때부터 GDDR6X는 최고 19.5 Gbps에 달하는 메모리를 탑재한 그래픽카드를 판매할 수 있었습니다. 지포스 RTX 3070 Ti ~ RTX 3090 Ti 같은 상급 제품의 성능을 뒷받침하고 있다고 말할 수 있겠습니다.
다만 그 대가로 전례 없는 메모리 온도 문제를 떠안게 되었습니다. 과거 그래픽카드 제품들이라고 메모리 발열이나 온도 문제가 전혀 없지는 않았습니다만, GPU의 가장 뜨거운 부분 온도를 넘어서 100도가 넘는 온도를 보이는 사례는 없었다고 해도 과언이 아닙니다. 그래서인지 모니터링 프로그램에 따라서는 GDDR6X의 온도를 메모리 정션junction 온도(HWiNFO)나 핫스팟(CapFrameX) 온도로 언급하기도 합니다.
정션 온도는 반도체 칩세트의 기본 부품인 트랜지스터가 실제로 접합된 부분의 온도를 뜻합니다. 트랜지스터 접합 온도transistor junction temperature라고도 합니다. 칩세트 내부에서 실제 핵심 부품이 작동하는 부분의 온도라는 뜻이며, 외부에서 관측한 칩세트의 표면 온도 등과 달리 칩세트에서 가장 뜨거운 부분의 온도라는 얘기입니다. 그래서 세세한 기술적인 차이와는 별개로 핫스팟 온도와 거의 같은 뜻으로 통용됩니다.
▲ 사진 출처: EVGA 제품 페이지(바로 가기)
EVGA GeForce RTX 3090 Ti FTW3 울트라는 앞서 본 두 제품에 비해 전반적으로 낮은 온도를 보입니다. EVGA의 상급 제품인 FTW3 울트라다운 냉각 구성을 갖췄기에 나온 결과라 할 수 있습니다. 그래도 VRAM 온도는 전반적으로 GPU 핫스팟 온도에 육박하는 높은 온도를 보입니다. 하지만, GDDR6X의 전송 속도를 21 Gbps까지 끌어올린 RTX 3090 Ti 제품이라는 점을 생각하면, 그나마 FTW3 울트라의 냉각 구성이기에 저 정도 온도에 그쳤다고 해야 하겠죠.
물론 RTX 3090 FE와 비교하려면 메모리 구조 차이도 생각해야 합니다. 이는 결론에서 후술하도록 하겠습니다.
3종 그래픽카드에서 2종 소프트웨어와 2종 게임으로 확인해본 결과 최고 온도가 97℃~104℃까지 나오는 모습을 보였습니다. 그것도 에어컨이 가동되는 사무실과 벤치마크용 오픈케이스 환경에서 10분간 측정한 결과입니다. 일반적인 사용자의 환경에서는 방 안 온도나 케이스 구조에 따라 110℃를 훨씬 넘겨도 전혀 이상하지 않을 결과라 할 수 있습니다.
이렇게 높은 온도가 나와도 GPU 핫스팟 온도나 GDDR6X 메모리 온도 자체의 특성이며, 우리가 일반적으로 생각하는 'GPU 온도'보다 훨씬 높은 온도라는 점만으로 비정상적인 과열이라 단정 지을 수는 없습니다. 특히 RTX 3090은 양면 메모리 구조와 GDDR6X의 전송 속도가 맞물려 더욱더 높은 메모리 온도를 보여주는 편입니다.
제조사나 유통사에서도 GPU 핫스팟 온도가 얼마나 올라야 과열 문제로 볼 수 있을지, 제한 온도는 어떻게 설정되어 있는지 등의 정보를 공개하고 있지 않습니다. GPU 온도에 그 작동이 영향받는 기능인 부스트 클록이나 서멀 스로틀링 등도 GPU의 핫스팟 온도가 아닌 우리가 일반적으로 알고 있는 'GPU 온도' 기준으로 작동합니다.
일반적으로 GPU 과열 문제는 제한 온도를 넘겨서 강제로 클록을 낮추는 서멀 스로틀링이 걸렸을 때 점검해볼 필요가 있습니다. 서멀 스로틀링은 고성능을 위해 높은 클록을 유지해야 하는 상황에서 클록이 급격히 낮아지는 특성을 보이기에 GPU-Z나 HWiNFO 등의 모니터링 프로그램으로 파악할 수 있습니다.
주요 부품의 엄청난 발열을 이겨내고 쾌적한 구동 환경을 보여주기 위해 상급 그래픽카드의 냉각 구성은 점점 더 크고 두꺼워져 왔습니다. 기가바이트 사의 어로스 익스트림이나, ASUS 사의 녹투아 에디션은 이를 정말 잘 보여준다 할 수 있습니다.
테스트에 사용한 EVGA사의 RTX 3090 Ti FTW3 울트라도 상급 그래픽카드다운 냉각 구성과 온도 측정 결과를 보여줍니다. 같이 테스트에 사용한 RTX 3090 FE보다 발열이 더 심한 RTX 3090 Ti인데도 훨씬 낮은 온도를 보인 점은 상급 그래픽카드의 가치를 보여줬다 해도 과언이 아니겠습니다. 물론 GPU 온도 차이보다 메모리 온도 차이가 훨씬 더 크기 때문에 메모리 구조 차이도 크게 관여했을 것입니다. 같은 24 GB 용량의 GDDR6X를 탑재하고 있어도 출시 시기의 차이로 RTX 3090은 양면 메모리 구조를 가진 반면 RTX 3090 Ti는 단면 메모리 구조를 가집니다.
여담으로 일본에서는 RTX 3090 Ti의 발열 문제에 주목한 PC 조립 업체가 무려 5개의 팬을 동원한 하이브리드 냉각 구성을 판매하기도 하였습니다(관련 기사 바로 가기). 설상가상으로 다음 세대 그래픽카드는 전력 소모를 대폭 늘렸다는 루머는 많아도 그 반대로 예상하는 이야기는 거의 없는 상황입니다. 정확한 건 제품이 나온 후에 알 수 있겠지만, 훨씬 더 심한 GPU 온도와 메모리 온도를 보여줄지도 모릅니다. 각 제조사가 내세우는 상급 그래픽카드는 그런 발열을 이겨내는 냉각 구성을 선보이겠지만, 그 대가로 엄청난 두께와 크기를 자랑하게 될 가능성이 큽니다.
사용자로서 그래픽카드를 장착할 공간이나 케이스 내부 통풍 수준 등을 더 심각하게 고민해야 하기에 골치 아픈 현상입니다. 부디 그 이상의 성능 향상으로 보답해주길 바랄 뿐입니다.
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