6. 전력 장벽

Reference :
- 컴퓨터 구조 및 설계 MIPS EDITION [6판] / David A. Patterson / 한빛에듀
- 건국대학교 컴퓨터구조 강의 / 박능수 교수님
- https://developbear.tistory.com/ (김베어의 개발일지)

아래의 그림은 지난 30년간 클럭 속도와 소비 전력이 어떻게 증가했는지를 보여준다.

클럭 속도와 소비 전력은 오랫동안 빠르게 증가하다 최근에 주춤해지는 것을 확인할 수 있다.

 

 

속도와 전력이 함께 증가하는 이유는 둘이 서로 연관되어 있기 때문이고,

성장이 정체된 이유는 상용 마이크로 프로세서의 냉각 문제 때문에 실제로 사용할 수 있는 전력이 한계에 도달하였기 때문이다.

 

그래프를 보면 클럭 속도는 1000배가 증가하는 동안 전력은 고작 30배 증가하였음을 볼 수 있는데,

이 이유를 설명하려면 전력을 구하는 공식을 알아야 한다.

 

집적회로의 주된 기술인 CMOS가 에너지를 소비하는 주원인은 동적 에너지이다.

* CMOS : complementary metal oxide semiconductor

 

동적 에너지란 트랜지스터가 0에서 1로 혹은 1에서 0으로 스위칭하는 동안에 소비되는 에너지를 말하며,

각 트랜지스터의 용량성 부하와 인가되는 전압에 의해 결정된다.

 

아래의 식은 0 → 1 → 0 혹은 1 → 0 → 1으로 논리 값이 두 번 바뀔 때 소모하는 에너지이다.

한번 바뀔 때 소모되는 에너지는 다음과 같다.

 

트랜지스터 하나가 소비하는 전력은 한 번 바뀔 때 소모되는 에너지와 시간당 논리 값이 바뀌는 빈도수의 곱이다.

 

새로운 공정기술이 나올 때마다 전압은 낮아졌고, (대략 15%씩 낮아짐)

전력은 전압의 제곱에 비례하기 때문에 소비전력이 낮아질 수 있었다.

 

20년 동안 전압이 5V에서 1V로 줄었고,

스위칭 빈도 즉, 클럭 속도(주파수에 비례) 가 1000배로 증가했기 때문에 전력은 고작 30배만 증가할 수 있었다.

 

전압을 더 낮추면 누설 전류가 너무 커지기 때문에 더 이상 전압을 낮출 수가 없다.

 

따라서 컴퓨터 설계자들은 전력 장벽에 부딪혔기 때문에 앞으로 나아가기 위해서는 초창기 30년 동안 마이크로프로세서를 설계하는 것과는 다른 방식을 선택하게 되었다.

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* 참고

 

1. 누설 전류

동적 에너지가 CMOS 에너지 소모의 주요인이긴 하지만,

트랜지스터가 꺼져있을 때도 흐르는 누설 전류 때문에 정적 에너지 소모가 존재한다.

(서버에서 전체 에너지 소모의 40%는 누설 전류에 의한 것)

즉, 트랜지스터가 많아지면 꺼져있을지언정 전력 소모가 늘어나게 된다.

 

2. 전력이 집적회로에서 골치 아픈 문제인 이유

(1) 전력이 칩 전체로 전달되어야 한다. (현대의 마이크로프로세서는 전력과 접지를 위해 수백 개의 핀을 사용하고 있음)

(2) 전력이 열로 낭비되는데 열을 제거해야 한다. → 냉각 비용이 상당한 부분을 차지