CPU 수냉 쿨러는 어떻게 작동할까요? 초보자 가이드

CPU에서 액체 냉각이 어떻게 작동하는지 이해하려면 자동차에서 엔진이 어떻게 냉각되는지 생각해 보세요. 액체는 비열이 높아 공기보다 열을 더 잘 방출합니다. 자동차는 물을 사용하여 엔진의 열을 흡수하고 라디에이터를 통해 공기 중으로 방출합니다. CPU 액체 쿨러도 같은 방식으로 작동합니다.

모든 CPU는 전자 부품이기 때문에 열을 발생시키며, 이 열은 냉각수가 순환하는 워터 블록에 의해 흡수됩니다. 이 냉각수는 자동차의 작동 방식과 유사하게 워터 블록에서 라디에이터로 펌핑됩니다. 라디에이터의 기능은 내부로 흐르는 냉각수에서 열을 추출하여 라디에이터 핀으로 전달하는 것입니다. 그런 다음 팬이 냉각된 공기를 핀 위로 보냅니다. 그림에서 볼 수 있듯이 이러한 구성은 특히 주목할 만한데, 수냉 방식을 통해 오버클럭되어 상당한 열을 발생시키는 높은 TDP를 가진 최신 CPU의 열을 효율적으로 제거할 수 있게 되었기 때문입니다.

CPU 열 이해 : 냉각이 중요한 이유

전기는 도체를 통과하는 전자의 흐름입니다. 전기가 도체를 통과하면 전자 흐름에 대한 저항으로 인해 열이 발생합니다. 마찬가지로 전기가 CPU를 통과할 때도 열이 발생합니다.

마이크로프로세서 또는 CPU는 수십억 개의 트랜지스터로 구성됩니다. CPU를 사용할 때마다 이러한 트랜지스터가 연산 논리에 사용됩니다. 이 트랜지스터는 충전과 방전을 반복하며 전기 저항을 발생시키고, 이는 전자 흐름에 영향을 미치고 열을 발생시킵니다. 게임이나 비디오 렌더링처럼 CPU에서 더 많은 작업을 수행할수록 더 많은 열이 발생하고 이러한 고부하 작업을 위한 냉각 시스템이 필요합니다.

이러한 경우, 온도를 제한 범위 내로 유지하기 위해 CPU 폐쇄 루프 수냉 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 CPU가 열 조절을 시작하여 성능에 영향을 미칩니다. 경우에 따라 냉각이 매우 불량하면 CPU 또는 RAM, GPU와 같은 다른 내부 부품이 손상될 수도 있습니다.

액체 냉각 시스템의 핵심 구성 요소

액체 성분의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 워터 블록
• 펌프
• 라디에이터
• 튜빙, 저수조 및 냉각수

워터 블록

CPU에서 열을 추출하는 수냉 시스템의 핵심입니다. 최고급 워터블럭은 열전도율이 높은 무산소 구리로 제작됩니다. 알루미늄 부품과 함께 사용되는 워터블럭의 경우, 니켈 도금 처리가 되어 있습니다(대부분 워터블럭 바닥은 산화 방지를 위해 니켈 도금 처리되어 있습니다).

이 블록은 바닥에 0.5~1mm의 미세 채널을 갖추고 있어 액체가 흐르고 CPU에서 발생하는 열을 흡수합니다. 블록과 CPU 사이의 공극을 최소화하기 위해 열전도율이 8~12W/mK 이상인 서멀 페이스트를 사용합니다. 열전도율을 높이기 위해 워터 블록과 CPU 사이의 간격을 0.1mm로 최소화했으며, 이는 워터 블록의 견고한 장착 메커니즘을 통해 더욱 용이해졌습니다. 냉각 시스템의 열 효율은 흐름과 핀 배열의 설계에 크게 좌우됩니다. 액체가 블록으로 유입되면 500~5000W/m²의 열전달 계수로 대류 냉각을 시작합니다.

펌프

냉각 시스템의 펌프는 냉각수가 워터 블록과 라디에이터를 통과하도록 하여 튜빙의 저항을 극복할 수 있도록 유체에 압력을 가합니다. 적절한 유량이 없다면 아무리 효율적인 시스템이라도 제대로 작동하지 못할 것입니다. 대부분의 냉각 시스템에서 이러한 펌프는 12V 전원으로 2000~4000rpm으로 작동하여 0.5~1L/min의 유량과 냉각 성능을 제공합니다. 최신 CPU 냉각 시스템에서 이러한 펌프는 정밀하게 제작되어 소음과 진동이 적고, 세라믹 베어링을 사용하여 마찰 없는 작동을 보장합니다. 또한, 열 부하에 따라 속도를 조절할 수 있습니다.

라디에이터

CPU에서 액체가 흡수한 열은 라디에이터라는 장치와 팬을 통해 대기 중으로 방출됩니다. 라디에이터는 구리 핀과 냉각수 채널이 있는 알루미늄 코어로 제작됩니다. 핀은 0.8~0.9의 효율로 더 나은 열 전도율을 제공합니다. 핀 간격은 매우 중요한 요소입니다. 핀 밀도(FPI, Fins per Inch)가 높으면 유효 면적이 증가합니다. 그러나 공기 흐름에 대한 저항이 증가하기 때문에 더 많은 공기 흐름이 필요합니다.

FPI가 낮으면 공기 흐름 저항은 줄어들지만, 유효 표면적도 감소합니다. 일반적으로 CPU에서 나오는 냉각수는 주변 공기보다 10~20°C 더 높습니다. 라디에이터로 유입된 냉각수는 팬에 열을 전달합니다. 팬(1000~2000rpm)이 공기 흐름을 제공하여 팬의 열을 제거합니다.

튜빙, 저수조 및 냉각수

액체 시스템의 튜빙은 액체가 한 구성 요소에서 다른 구성 요소로 이동하는 경로를 제공하며, 내경 10mm, 외경 13mm의 PVC 소재로 제작됩니다. 또한 극한의 작업 조건에서도 변형 및 파열을 방지하기 위해 편조 지지대가 제공됩니다. 튜빙은 유동 저항을 증가시키고 전반적인 성능을 저하시키므로 급격하게 구부러져서는 안 됩니다.

리저버는 공기와 유체의 양을 관리합니다. PVC 소재로 제작되었으며, 액체를 채우고 기포를 대기로 배출하는 메커니즘을 제공합니다. 경우에 따라, 특히 AIO(All-in-One) 시스템에서 리저버는 펌프의 필수 부품이 됩니다. 대부분의 경우, 리저버 내부의 액체는 증류수와 30% 글리콜로 구성됩니다. 박테리아 증식을 방지하기 위해 살균제가 첨가되고, 글리콜은 어는점을 최대 -10°C까지 낮추기 위해 첨가됩니다. 냉각수의 목적은 CPU에서 열을 흡수하여 라디에이터로 방출하는 것입니다.

냉각 사이클

열 생성

CPU는 작동 중, 특히 게임, 비디오 렌더링, 그래픽 또는 컴퓨팅 작업과 같이 고사양 작업을 수행할 때 300와트 이상의 열을 발생시킵니다. 이 열은 CPU 내부에 내장된 트랜지스터에서 발생하여 최종적으로 통합형 히트 스프레더로 전달됩니다. 통합형 히트 스프레더에는 워터 블록이 설치되어 내부로 흐르는 액체의 도움으로 CPU의 열을 흡수합니다. 워터 블록의 온도가 액체보다 높기 때문에 전도 과정을 통해 이 열이 제거됩니다.

흡수

워터 블록 내부의 액체는 워터 블록 내부에 만들어진 통로를 통해 흐르면서 CPU에서 발생하는 열을 흡수합니다. 액체가 블록을 통과하는 동안 열의 난류와 전도가 열전도도 측면에서 최대 효율을 갖도록 설계되었습니다. 유체가 워터 블록 밖으로 흘러나오면 온도가 상승한 것입니다.

순환

수냉 시스템에는 CPU로 가열된 냉각수를 전달하는 펌프가 설치되어 온도가 특정 한계를 초과하지 않도록 합니다. 펌프는 워터 블록에서 라디에이터로 냉각수를 일정하게 공급하여 CPU를 냉각하고 효과적으로 작동시킵니다. 최신 시스템에서는 높은 유량 덕분에 소음이 매우 적고 부품 마모가 최소화되는 펌프가 선택됩니다.

소산

가열된 액체는 최종적으로 라디에이터로 들어가 라디에이터에 설치된 팬에서 나오는 공기에 의해 냉각됩니다. 라디에이터는 구리 핀이 달린 알루미늄으로 제작됩니다. 이 핀들은 팬이 공기를 불어넣을 때 표면적을 늘려 라디에이터를 냉각시킵니다. 이 핀들이 냉각되면 튜브를 통과하는 냉각수도 냉각됩니다.

반품

냉각수는 라디에이터에 의해 냉각된 후 워터 블록으로 돌아갑니다. 수냉 시스템에는 물탱크라는 또 다른 장치가 설치되어 있습니다. 이 장치는 물이 과다할 경우 물을 다시 공급하고, 수위가 낮아졌을 때 시스템에 다시 채워지도록 도와줍니다.

액체 냉각을 매력적으로 만드는 엔지니어링 혁신

기술의 발전으로 더 많은 열을 발생시키는 7nm 고속 CPU가 등장했습니다. 이를 해결하기 위해 수냉 시스템을 활용합니다. 공랭만으로는 고열을 발생시키는 CPU에 충분하지 않기 때문입니다. 엔지니어링은 현재 수냉 시스템과 그 제조 공정을 발전시키고 있습니다.

현재 워터 블록은 액체 흐름을 위한 0.2mm의 좁은 통로를 통해 제작되며, 이는 난류를 생성하여 열 전달을 최대 50%까지 증가시킵니다. 최신 액체에는 팬과 펌프 속도 변화에 따라 설정 온도에서 2°C 이내로 온도를 모니터링하고 제어하며 실시간 온도 모니터링을 제공하는 PID 컨트롤러가 탑재되어 있습니다. 또한, 산화구리가 주입된 액체는 열전도도를 높이기 위해 테스트되었으며, 그 결과 성능이 20% 향상되었습니다.

잠깐, 더 있습니다! 액체 냉각은 CFD 시뮬레이션을 활용한 엔지니어링을 통해 핀 구조, 유동 속도, 난류, 냉각 및 열 설계를 최적화하며 끊임없이 발전하고 있습니다. 이러한 기술 발전이 지속된다면, 고온 계면에서 액체의 상변화를 활용하여 CPU를 냉각하고, 라디에이터에서 응축되는 냉각 시스템을 구현할 수 있을 것입니다.

설치 및 유지 관리 팁

액체를 설치하는 데는 물을 포함한 매우 민감한 부품이 사용되므로 전문적인 기술이 필요합니다. 누수 시 CPU가 손상될 수 있습니다. 설치를 시작하기 전에 모든 부품을 깨끗이 청소하고 CPU에 서멀 그리스를 바르십시오. 워터 블록을 장착하고 0.6~1Nm의 토크로 나사를 균일하게 조이십시오. 나사는 십자 모양으로 조여야 합니다. 액체가 흐르는 튜브 또한 중요한 부품입니다. 설치 시 튜브가 설명서에 따라 연결되었는지, 모든 호스가 클램프로 고정되었는지 확인하십시오. 설치를 시작하기 전에 시스템이 충분히 프라이밍되어 있고 공기가 들어가 있지 않은지 확인하십시오.

유지 관리를 위해서는 전문가의 도움을 받거나 전문가에게 작업을 의뢰하는 것을 고려해 보세요. 저희가 알려드릴 수 있는 몇 가지 팁으로는 자외선 조사 시 빛을 발하는 자외선 반응성 다이를 사용하여 누출을 감지하고, 매년 또는 필요에 따라 퍼지 사이클을 수행하여 공기의 95%를 제거하여 효율을 높이는 것이 있습니다. 또한, 매년 식초 용액으로 시스템을 세척하는 것도 잊지 마세요. 용액을 30분 동안 순환시켜 튜브와 부품 내부의 스케일을 용해한 후 헹구세요.

기존 공기 냉각에 비해 장점

물의 비열은 공기보다 훨씬 뛰어나며, 이는 자연스럽게 수냉식 냉각 시스템에 유리하게 작용합니다. CPU에 지속적인 부하가 가해질 경우, 수냉식은 공랭식 시스템보다 동일한 CPU를 40% 더 낮게 유지합니다. 수냉 시스템은 더 나은 냉각 성능을 제공하고, 펌프 소음이 적고, 물이 소음을 자연스럽게 흡수하며, 라디에이터 팬이 더 조용하기 때문에 더 조용합니다. 수냉 시스템은 크기가 작고 소형 ITX 컴퓨터에서도 쉽게 조절할 수 있어, 눈길을 사로잡는 동시에 미적인 요소도 더 뛰어납니다.

결론

열역학과 공학은 액체 냉각 방식을 혁신하여 정밀하게 가공된 흐름 경로를 통해 더 나은 CPU 성능을 제공합니다. 펌프와 효율적인 라디에이터를 사용하여 안정적인 흐름 패턴을 구현하는 이 기술은 주변 환경을 가열하는 데 사용되어 최신 고성능 컴퓨터에 안정적인 냉각 솔루션을 제공합니다. 향상된 열전도율, 세련된 디자인, 향상된 미적 감각, 그리고 저소음 작동을 제공하여 공랭식 냉각 솔루션보다 탁월한 선택이며, 열 관리도 예술처럼 느껴집니다.

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