cpu gpu vga 쿨러 장착 방향에 따른 온도 차이 수직 vs 수평

Heatpipe vapor chamber vertical vs horizon 차이

 

 

히트파이프는 우리에게 매우 친숙한 물건입니다. 컴퓨터의 쿨링에 광범위하게 보급되어 있으며 그 원리는 매우 간단합니다. 상변화 과정 중에서 열을 흡수/발열하는 성질을 이용하여 쿨링을 하는 기술입니다.

 

 

작동 구조

 

전형적인 히트파이프는 파이프, 유체, 끝 부분으로 구성되어 있습니다. 파이프 내부에는 일정한 압력이 주어진 다음 적당한 양의 작동 물질이 채워지며, 이렇게 하여 파이프 내벽의 모세공에 유체를 채운 다음 히트파이프를 밀봉하게 됩니다. 히트파이프 끝부분이 열을 받으면 모세관 중의 작동 물질에 기화되어 증기가 되며, 그 증기는 미소한 압력에 의해 다른 쪽 방향으로 움직이며 열을 방출한 후에 액체가 됩니다. 액체는 다시 여러 구멍을 따라 모세 압력과 중력에 의해 원래 자리로 돌아갑니다. 이 과정이 반복되어 열을 전도하는 것입니다.

 

 

히트파이프의 구조

 

일반적으로 히트파이프를 만들 때에는 작동 온도와 제조 원가에 따라 내부에 채워넣을 유체를 선택하게 됩니다. 일반족으로 순수한 물에 일부 첨가제를 넣는데, 그렇다면 히트파이프를 쪼개 보면 안에 뭐가 있는지 알 수 있지 않을까요?

 

실제로 히트파이프에 내장된 작동 물질은 그 양이 매우 적습니다. 너무 많이 들어갔다면 액체가 관을 막아버려서 히트파이프가 정상 작동하지 않을테고, 지나치게 작아도 모세관을 채우지 못할 테니까요. 히트파이프의 직경, 모세관의 구조, 히트파이프의 길에는 히트파이프에 채워 넣는 액체의 양을 결정합니다. 제일 많이 쓰이는 직경 6mm에 길이 15cm짜리 히트파이프는 0.5ml 정도의 액체가 들어가 있으며, 그것도 전부 모세관을 채우고 있기 때문에 히트파이프를 잘라도 안에 어떤 액체가 있는지는 알 수 없습니다.

 

저명한 화학자인 Cotter는 히트파이프에 이론적인 공식을 세웠는데, 여기서 히트파이프의 정상 작동에 필요한 조건을 제시하고 있습니다.

 

△Pc ≥ △Pl + △Pv + △Pg

 

히트파이프 내부 유체의 움직임은 기체-액체의 2개 상의 역류에 속합니다. 그 중 증기가 증발하여 흐르면서 응결하는 과정 중에 압력이 떨어지는 것을 △Pv라고 합니다. 응결된 유체가 흘러서 증발하는 과정 중에서 압력이 떨어지는 것은 △Pl라고 합니다. 중력이 유체의 흐름에 가하는 압력은 △Pg라고 합니다(+, -, 0일 수 있으며 히트파이프의 중력의 위치에 따라 정해집니다).  △Pl+△Pv+△Pg가 유체 흐름의 저항력을 만드는 것이며, 히트파이프 내부의 순환 동력이 모세관 흡수 구조와 유체 작동 중에 생기는 모세 압력을 △Pc라고 합니다. 

 

히트파이프의 열전도에 영향을 주는 여러 한계들. 냉각의 한계, 흐름의 한계, 유체 점성의 한계, 모세관의 한계, 음파의 한계, 냉동 기동의 한계, 연속 흐름의 한계 등등.

 

△Pv와 △Pl는 일반적으로 열에 따라 늘어나며 유체의 점성, 밀도, 질량, 유량, 히트파이프의 길이, 구멍의 수에 따른 삼투 계수 등에 영향을 받습니다. △Pc는 유체를 빨아들이는 구조에 따라 결정되며 모세공의 직경이 작을수록 △Pc는 커지게 됩니다. 모세관 구조의 순환 때문에 모세압에 한계가 생기는데 만약 모세관의 힘이 유체에 작용될 때 증발에 필요로 하는 만큼의 양을 제공해 주지 못하면, 증발 부분의 유체가 건조되어 증발 부분의 파이프 온도가 급격히 상승하게 되고, 심지어 히트파이프나 발열원(여기서는 각종 칩)을 손상하게 되는데 이것이 바로 모세관의 한계입니다.

 

지금 여기서는 △Pc/△Pv/△Pl 이런 데이터를 어떻게 계산하는지는 말하지 않고, △Pg에 대해서만 말하겠습니다. 이 항목은 중력에 따라 유체의 흐름에 영향을 주어 압력이 떨어지는 것을 가리킵니다. 히트파이프의 증발 부분이 냉각될 때에는 내부 작동 유체의 흐름이 반드시 중력의 영향을 극복해야만 합니다. 히트파이프의 응결 부분이 위쪽에 있다면 중력이 유체의 흐름을 가속하게 될 것입니다.

 

쉽게 말해서, 히트파이프 쿨러를 장착하는 방향에 따라 어떤 성능 차이가 있는지 봅시다)

 

현재 수많은 고급형 그래픽카드 쿨러는 그 구조에 많은 개량을 하였습니다. 예를 들면 히트파이프가 수많은 방열핀을 관통하게 하여 히트파이프의 길이를 늘린 것입니다. 서멀라이트의 T-Rad2, T-Rad2 GTX, 샤먼 등이 그러하며 나중에 프로리마테크 MK-13, 잘만 VF3000 시리즈, 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스 등도 등장하였습니다.

T-Rad는 전통적인 케이스 구조에서 강력한 쿨링 능력을 보여줍니다. 하지만 전통적이지 않은 구조의 케이스, 그러니까 실버스톤 레이븐 RV01/RV02/RV03과 FT02/FT03 처럼 그래픽카드 장착 방향이 완전히 달라지는 경우에는 어떨까요?

 

 

특정 케이스의 장착 문제.

 

이런 종류의 그래픽카드 쿨러는 히트파이프의 길이가 꽤 길기 때문에 수직 방향으로 히트파이프를 장착하면 응결 부분이 증발 부분보다 높이가 대폭 낮아지면서, 수평 방향으로 장착했을 때보다 유체 흐름에 중력의 영향을 더 받게 됩니다.

 

실버스톤은 RV01 케이스의 질문 중에서 "To achieve best performance in either heat pipe technology, they need to be placed horizontally or have the heat source side located below the other end of the heat pipe."라고 하고 있습니다. 그렇다면 한번 이렇게 테스트해 봅시다.

 

RV02 케이스, 동일한 쿨링팬 조합에서 방향만 바꾼 것입니다. 왼쪽이 레이븐 케이스의 정상 위치이지만 그래픽카드의 쿨러 방향은 수직으로 된 경우이고, 오른쪽은 케이스를 뒤집어놔 그래픽카드를 수평 방향으로 한 것입니다.

 

 

테스트에는 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스, MK-13, T-Rad2 GTX, 샤먼이 포함되었고, 지포스 GTX 275의 레퍼런스 쿨러와 MSI N460GTX HAWK의 트윈 프로저 쿨러를 사용하여 비교하였습니다.

 

또한 Furmark를 사용하여 풀로드를 만들었습니다.

 

먼저 지포스 GTX 275의 레퍼런스 쿨러와 MSI N460GTX HAWK 쿨러 사이의 성능 비교입니다.

 

두 쿨러는 생긴 것이 많이 다릅니다. 그럼 성능은?

 

 

RV02가 정상 위치(그래픽카드가 수직)이건 90도로 뒤집어놓건(그래픽카드가 수평), 이런 종류의 그래픽카드 쿨러에서 GPU 온도에 미치는 영향은 매우 작다는 것을 알 수 있습니다. 1~2도 정도인데 이것은 쿨러 자체의 성능 차이라기보다는 바람의 방향이 바뀌어서 생긴 차이로 봐야 할 것입니다.

 

 

이론적으로 보면 MSI N460GTX HAWK는 지면과 수직으로 장착했을때 히트파이프의 응결 부분이 증발 부분보다 위치가 확실히 낮아지면서, 이때 중력의 영향이 더 커지게 됩니다. 하지만 실제로 GPU 온도는 1도 정도 상승했을 뿐입니다.

 

그렇다면 긴 히트파이프가 수많은 방열핀을 관통하고 있는 대형 그래픽카드 쿨러는 어떨까요. 아틱 쿨링 엑셀레로 익스트림 플러스, MK-13, T-Rad2 GTX, 샤먼을 봅시다. 아틱 쿨링만 지포스 GTX 480에 장착하고 나머지 3종은 지포스 GTX 275에 장착하여 테스트했습니다. 아래 테스트 결과는 각 쿨러의 장착 방향에 따라 성능이 얼마나 변하는지 보려는 것이지 각 쿨러 사이의 성능을 비교하려는 것은 아닙니다.

 

상당한 차이가 나고 있습니다.

 

 

위 4종류의 그래픽카드 쿨러는 지면과 수직/수평 방향으로 장착했을때 성능에 상당한 차이가 나고 있습니다. RV02 케이스에 '정상적인 방법'으로 장착했을 때 그래픽카드 쿨러의 히트파이프는 지면과 수직 방향이 되는데 이 경우 성능이 매우 떨어집니다. T-Rad2 GTX와 MK-13은 정상 작동을 완전히 못한다고 봐도 과언이 아니며 GPU 온도가 105도에 진입하여 그래픽카드가 자동으로 보호 모드가 작동하게 되었습니다.

 

샤먼은 비록 수평 위치(RV02 케이스를 90도 돌렸을 경우)보다 17도가 높긴 했지만 그럭저럭 괜찮은 성능이 나왔으며, 엑셀레로 익스트림 플러스도 20도가 높게 나왔습니다.

 

프로리마테크 MK-13의 수평 방향 시 GPU 온도. 

 

프로리마테크 MK-13의 수직 방향 시 GPU 온도.

 

왼쪽과 가운데는 정확한 장착 방향, 오른쪽은 틀린 장착 방향입니다.

 

 

실버스톤의 말대로 RV02 같은 케이스에는 T-Rad 같은 종류의 그래픽카드 쿨러가 맞지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 쿨링 성능을 최고로 유지하기 위해서 히트파이프의 응결 부분(히트파이프의 끝부분)은 증발 부분(열원이 있는 곳) 보다 더 높은 곳에 있어야 하며, 이것은 모든 히트파이프 쿨러에 적용되는 규칙입니다.

 

MK-13 같은 종류의 쿨러를 수직으로 설치하면, 히트파이프에서 유체의 흐름이 중력에 큰 영향을 받으면서, 모세관 압력이 유체의 흐름을 일으킬 정도로 충분해지지 못하게 됩니다. 이건 유체 표면 장력 계수와 모세관 구멍의 직경을 조절한 히트파이프를 사용하거나, 모세관 펌프 회로(CPL)를 사용한다던가 하는 방법이 있겠지만, 지금 PC 하고는 상관이 없겠지요) 

 

 

 

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사용한 쿨러는 is-47k

시피유는 5600x, 44배수 1.15v, 시네벤치 r23 10분 테스트함

 

위가 녹투아가 달라고 한 정방향

아래는 녹투아가 달지말라고 한 역방향임

 

방향 외 모든 변인 다 통제 상태로 그냥 폼디만 뒤집어서 함

상단 팬은 끈 상태로 실험했고, 테스트 후 잔열에 대한 영향을 최대한 배제하기 위해

역방향 테스트하고 2시간 동안 컴 꺼놓고 정방향 테스트했음

 

결과는

 

정방향 맥스 80.3 도

역방향 맥스 78.4 도

 

역방향이 더 온도가 좋다

 

저기 상단으로 배기가 더 잘돼서 차이가 난 거 아닐까요

 

히트파이프 충진 용매의 끓는점에 따라서 실험 결과는 다름 모든 히트파이프가 같은 용매를 쓰진 않으니까 끓는점이 높은걸 쓰면 열교환은 좋은데 방향에따라 성능차이가 생길 수 있고 끓는 점이 낮으면 방향 영향은 미미 해지는 다신 열 교환 성능은 내려가겠지 ㅇㅇ
글카도 마찬가지임 대부분 문제없는데 문제 있는 제품이 있음 (현 싯바 3천 시리즈)

 

그러니까 가끔 방향을 돌려서 쓰니까 성능이 안 나온다는 사람 있어도 그럴 수도 있구나 하고 존중해줬으면 함

 

케이스 통으로 뒤집는 건 큰 변인이라 생각함 뜨거운 공기가 위로 가는데 뒤집으면 케이스 내부 흐름에 영향 크게 줄듯

제대로 하려면 쿨러만 뒤집어야 된다 봄

 

 

Ryzen 3000 프로세서가 왜 이렇게 뜨거워지는 거죠? 동일한 TDP 정격의 이전 세대 Ryzen CPU보다 Ryzen 3000 CPU가 더 빠르게 실행되는 이유는 무엇입니까? 내 쿨러에 무슨 문제라도 있나요?
최신 Ryzen 3000 프로세서(APU 모델 제외)는 더 이상 단일 대형 칩을 기반으로 하지 않고 대신 더 작은 칩을 사용하는 멀티 칩 방식을 사용한다는 점에서 이전 Ryzen 세대와는 다르다. 정확한 모델에 따라 패키지에는 실제 CPU-Dies(CCD)가 1개(6개 및 8개 코어 모델) 또는 2개(12개 및 16개 코어 모델)가 있을 수 있습니다. 각 프로세서는 또한 메모리 컨트롤러, PCIe 컨트롤러, 마더보드 칩셋에 대한 연결 및 기타 기능을 포함하는 I/O-Die(IOD)를 사용한다.

이러한 설계 변경과 더 작은 7nm 제조 공정으로의 전환으로 인해 전체 프로세서의 열 분포는 유사한 전력 소모를 가진 구형 14nm 및 12nm 기반 단일 칩 Ryzen 프로세서와 크게 다릅니다.

정확한 CPU 모델, 지정된 TDP 값과 확장된 전력 제한(드라이브에 대한 정밀 부스트)에 따라 단일 CPU 다이로 최대 130W의 열 부하를 쉽게 생성할 수 있지만 I/O 다이로 인해 일반적으로 약 10W의 열 부하가 발생합니다. CPU 다이의 크기가 작기 때문에 이 칩의 열 밀도(W/mm²)는 매우 높습니다. 예를 들어, 74 mm²의 칩 크기에서 120W의 열 부하를 가하면 1.62W/mm²의 열 밀도가 발생하는 반면, 212 mm²의 칩 크기를 가진 구형 Ryzen 프로세서에서 동일한 열 부하를 가하면 0.57W/mm²의 열 밀도에 불과합니다.

이러한 열 밀도의 큰 차이는 새로운 Ryzen 3000 프로세서가 이전 프로세서와 유사한 열 부하에서 훨씬 더 따뜻해지는 이유입니다.

또한 Ryzen 3000 CPU는 더 높은 부스트 클럭에 도달하기 위해 정격 온도 헤드룸(최대 95°C)을 매우 적극적으로 사용하고 있다. 따라서 프로세서가 이 온도 제한에 도달해도 전혀 문제없고 전혀 걱정되지 않습니다. 클럭 속도와 공급 전압은 AMD의 사양을 유지하고 과열을 방지하기 위해 프로세서 자체에서 자동으로 조정됩니다.

열 밀도가 높고, 열 한계치가 높으며, 보다 공격적인 부스트 클럭 사용으로 인해 Ryzen 3000 CPU가 이전 세대 Ryzen CPU보다 동일한 TDP 정격의 높은 온도에 도달하는 것은 지극히 정상적이다. 더 높은 CPU 온도는 Ryzen 3000 프로세서의 경우 정상이며 CPU 쿨러에 이상이 있다는 징후는 아닙니다.

Ryzen 3000 CPU에서 Dies에 대한 히트파이프의 방향이 다양한 프로세서 온도로 이어진다는 주장이 있습니다. 이것이 사실입니까?
녹투아는 다양한 냉각기와 CPU 샘플로 내부 테스트를 실시해 열 파이프 레이아웃의 방향이 Ryzen 3000 CPU와 함께 사용할 경우 냉각 성능에 영향을 미치는지 여부를 알아냈다. 결과는 이것이 사실이라는 어떤 증거도 보여주지 않았다. 그러나 CPU 히트 스프레더와 쿨러 베이스 모두 표면 모양에 미세한 차이가 있을 수 있으므로 한 방향이 다른 방향보다 잘 적합되어 약간 다른 결과를 얻을 수 있습니다. 쿨러의 방향이 다르면 섀시 내 공기 흐름도 변경되며, 이로 인해 온도도 달라질 수 있습니다.

 

 

저 위에 게이머즈 넥서스 실험은 왜 3800x으로 하는지 모르겠네 밑에도 그렇고

어차피 라이젠 3800x는 cpu코어 다이 한 개라서 쿨러 가로로 놓든 세로로 놓든 히트파이프 2개 정도밖에 겹치지 않는데

라이젠 3900 이상 cpu코어 다이 2개 들어있는 것으로 실험하면

라이젠 3900 이상처럼 가로로 길게 2개의 다이가 있는 거하고 인텔처럼 세로로 긴 다이 하고

쿨러 히트파이프 접촉 방향 가로 세로로 장착했을 때 각각 비교 가능할 텐데.

 

이론적으로는 가로로 긴 라이젠은 히트파이프가 세로로 배열된 NH-U14S 같은 것이 쿨링 성능이 더 좋고

세로로 긴 인텔은 히트파이프가 가로로 배열된 NH-D15 같은 것이 쿨링 성능이 더 좋을 텐데.

이 차이는 히트스프레더가 열을 퍼트려 주더라도 한계가 있는 것에 기인하는데.

이런 차이는 다이렉트 히트파이프 즉 히트파이프가 노출되어 있는 쿨러일수록 더 심해진다.

히트파이프 위 구리판이 용접되어있는 쿨러 같은 경우는 그 구리판이 어느 정도 열을 퍼트려주는 역할을 하기 때문이다.

그런데 히트파이프 6개 이상 공냉 대장급 농협급 쿨러의 경우 다이렉트 히트파이프 방식은 거의 없다. 참고하면 된다.

 

요즘 많이 쓰는 3RSYS RC400의 경우 딱 그런데

이 제품은 다이렉트 히트파이프가 아니라 구리판이 용접되어 있는 구조이기 때문에

상대적으로 라이젠 cpu에서 쿨링 성능이 더 좋고

인텔의 경우 다른 다이렉트 히트파이프 구조 쿨러 하고 성능이 비슷하고

라이젠 cpu 보다는 성능차가 심하지 않다.

 

 

여하튼 히트파이프나 베이퍼 챔버의 경우 열원보다 히트파이프 끝부분이 높이가 높아야 제성능이 나오며

그 반대의 경우 성능이 격감된다.