과학

문과를 위한 CPU에서 열이나는 이유

 

컴판에도 올렸는데 여기도 올려봄

 

 

 

[ 서론 ] - 스킵해도 ㄱㅊ

 

도선에 전류를 흘렸을때 열이 발생하는 원인이

 

이 세상에는 저항이 없는 완벽한 도체는 없기에

 

전류를 흘리는 케이블 자체에도 작은 저항이 있어서

 

열이 발생한다는 이야기는 이미 알고 있을거야

 

 

 

하지만 왜 CPU의 클럭이 높을수록 발열이 심해질까?

 

하는 이야기는 이것과 크게 상관이 없어

 

클럭이 달라져도 회로의 저항이 달라지지는 않기 때문이야

 

 

 

 

흔히 일을 더 시키려면 열이나고

 

더 빨리 달리면 몸에서 더 많은 땀이나고

 

이런식으로 비유를 하지만 진짜 과학적으로 왜 열이날까?

 

 

 

[ 본론 ]

 

왜 클럭에 따라서 발열의 정도가 달라질까?

 

 

오늘은 이것에 대해 알아볼거야

 

 

 

0.png

 

CPU는 아주 작은 스위치(트랜지스터)의 집합이라는 것은 알고 있을거야

 

모른다면 지금이라도 알아라

 

 

 

1.png

 

이 스위치에는 입력, 출력, 스위치신호

 

이렇게 3가지 요소가 있고

 

 

 

2.png

스위치 신호에 전압을 가하지 않으면

 

입력에서 들어온 전기를 출력으로 내보낼 수 없어

 

 

 

3.png

 

반대로 스위치 신호를 주면 입력과 출력이 연결되는거지

 

수도꼭지를 열고 닫는 것과 같아

 

 

 

4.png

 

컴퓨터는 0과 1의 반복이라는 것도 상식이야

 

그렇다면 0과 1이 반복되는 신호를 스위치에 주면 어떻게 될까?

 

 

 

5.png

 

당연하게 막혔다 통과됐다를 반복해

 

 

 

 

6.png

 

이러한 막힘과 통과 1세트를 '주기' 라고 하고

 

1초에 몇 주기가 일어 났는가를 주파수(Hz) 라고 해

 

 

 

 

7.png

 

이 경우에는 1초에 2주기가 들어있으니 2Hz가 되겠지?

 

 

 

 

 

8.png

 

그리고 니들이 쓰는 CPU는 수십억Hz 짜리고

 

 

 

 

 

 

 

9.png

 

다시 스위치로 돌아가자

 

 

 

 

10.png

 

 

이번에는 스위치의 입력과 출력 전압의 차이 V2에 대해서 알아보자

 

 

 

 

 

11.png

 

입력으로 1V가 들어왔지만

 

스위치가 꺼져있어 출력은 0V 상태야

 

즉 스위치 앞뒤의 전압 차이는 1V가 되는거지

 

 

 

 

 

12.png

 

입력으로 1V가 들어왔고

 

스위치가 켜져있어 출력도 1V가 됐어

 

전류가 통하기 때문에 전압 차이는 0V야

 

 

 

 

이걸 그래프로 나타내면

 

 

 

13.png

 

이렇게 스위치 신호와 반대되는 전압 그래프가 나오지

 

 

 

지금까지 전압에 대해서 알아봤는데

 

이번에는 전류를 생각해보자

 

 

전압은 압력이고

 

전류는 전기가 얼마나 흐르는가 라는 뜻이야

 

 

대충 수도꼭지로 보면

 

전압은 물의 압력인 수압!

 

전류는 흐르고 있는 물의 양인거지

 

 

14.png

 

당연히 막혔을때는 안 흐르고

 

통과 됐을때는 흐르니까 V1과 같은 형태가 나오겠지?

 

 

 

 

 

15.png

 

이제 필요한거 2개를 모두 얻었으니

 

이 두개만 때어놓고 생각하자

 

 

 

 

16.png

 

중학교 과학시간에 배웠겠지만

 

전력소모 = 전압 x 전류 야

 

 

 

17.png

 

하지만 스위치에 걸리는 전압과 전류는

 

아주 훌륭하게도 1과 0로 엇갈리기 때문에

 

그 두개를 곱해봤자 0W 가 나오지

 

 

즉, 전력소모가 없어!

 

 

 

그런데 없을리가 없겠지?

 

저건 현실적으로 불가능한 이상적인 파형이야

 

 

 

 

18.png

갑자기 0이 1이되고 1이 0이 되는건 현실세계에서는 불가능해

 

현실은 이렇게 UP과 DOWN이 일어나는데 지연시간이 있어

 

 

 

19.png

 

더 보기쉽게 V2와 i2 그래프를 합쳐봤어

 

 

 

20.png

 

여전히 딱 1과 0으로 떨어지는 구간은 0W가 맞아

 

당연히 완벽히 0W일리는 없지만 암튼 0W에 한없이 가까워

 

 

그렇다면 수치가 변화되는 중간은 어떨까?

 

 

 

21.png

 

보다시피 전력소모가 발생했어

 

 

22.png

 

전력 소모를 그래프로 그려보면 이런 모양이 되는거지

 

 

 

그리고

 

23.png

 

열역학 제1 법칙에 의하면 전력소모가 일어났으면

 

반드시 다른 에너지로 변환이 일어나야해

 

도중에 사라지는 경우는 없어

 

 

그런데 이게 모터처럼 움직이는게 아니잖아

 

운동에너지로 변환할 수도 없고

 

그 전력을 다 어디에 소모하겠어?

 

 

 

24.png

 

제일 만만한게 열이지

 

 

 

 

8.png

 

앞에서도 말했지만 우리들이 사용하는 CPU는 수십억Hz 짜리고

 

 

 

 

 

25.png

 

한 주기에는 올라가는 구간과 내려가는 구간 2개가 있으니

 

5.0GHz 클럭을 가진 CPU라면 50억 x 2 해서

 

1초에 100억번 열을 발생시키는거지

 

 

 

아무리 한번의 전력소모가 적다고 하더라도

 

그걸 1초에 100억번이나 반복하면

 

엄청난 열이 발생해

 

 

 

 

 

오늘의 강의 끝!

 

 

 

친구놈이 CPU에서는 왜 열이 나는지 물어보길래

 

오늘 친구한테 설명해준거 여기에도 올려봤음

 

 

 

86개의 댓글

2019.05.10
@tdtd

 

아니 일=전압x전류 라는 말을 한적도 없고

일률 단위는 W 맞잖아! 뭐가 문제야

못 알아 듣겠으니 자세히좀 설명해줘

 

아, 전력소모 = 전압 x 전류 에서

전력소모 라는 워딩을 지적하는건가?

소비전력은 일률이 아니고 일이긴하지

그렇게 보면 내가 틀린게 맞네

0
2019.05.10
@빠빠양

잘 봐, 폰이라서 적분기호는 생략하께

전자가 전압강하하면 에너지를 써서 일을 하게 돼

(E=qV, E=W)

시간당 흐른 전자는 전류라고 해

(I=q/t)

그럼 W=ItV지?

일률의 정의에따라 W/t=P 가 되지

따라서 P=VI, 즉 전압과 전류를 곱한게 일률이 돼

이해감?

0
2019.05.10
@tdtd

아니 일률도 단위로 W 써!!!!!

일W 가 아니고 단위 와트!!!!!

 

W(와트)는 1초 동안 1J(줄)의 일을 하는 일률의 단위고,

여기에 3,600초(1시간)를 곱한 것이 전력량 와트시(Wh)이다.

암페어와 볼트 단위의 정의를 통해,

1 암페어가 1 볼트의 전위차를 통해 흐를 때 일은 1 와트의 일률로 끝난다.

[위키백과 펌]

0
2019.05.10
@빠빠양

아! 미안 본문을 안읽었다 ㅎㅎ

0
2019.05.10

cpu가 열이 나는 이유가 열정이 있기때문이야!

1
2019.05.10
@좆냥이는닥붐
0
2019.05.10

와 이런거 좋다!!

이해도 쏙쏙 잘 되네!!

컴퓨터 다른 원리도 알고 싶어진다!!

좋은 글 감사감사!!

 

그나저나 궁금한게 생겼는데 Hdd랑 Ssd랑 차이 좀 설명해주면 안됨?

속도가 빠르고 느리고의 차이 말고 구조적 원리적 차이 ㅎ

0
2019.05.10
@렙 초보자

진짜 간단하게 말하면 하드디스크는 책장마냥 원하는걸 꺼낼려면 그위치로 가서 꺼내야 하고 스스디는 전자사전 마냥 검색하면 바로 나오는 거라고 생각하면됨

0
2019.05.10
@Ddogdrip

오 원리는 확 이해됬다!!

0
2019.05.10
@렙 초보자

 

HDD는 레코드판이라고 생각하면된다

레코드 판 처럼 포면에 데이터를 심어두고

고속으로 회전시켜서 바늘로 그 정보를 읽어오는거지

레코드판이 빠르게 돌아 갈 수록 하드디스크 속도도 빨라짐

레알 모터가 달려서 회전하기 때문에 속도에 한계가있음

또 1분에 5400, 7200 바퀴씩 회전하기 때문에

충격이 조금만 가해져도 손상을 받고 그렇기 때문에 수명이 짧음

 

SSD도 위에서 말한 스위치들의 집합인데

저런 스위치가 있는 회로에 전기를 흘려서 전기적으로 데이터를 찾는 방식임

물리적으로 움직이는게 아니라서 수명이 길고, 속도가 빠를 수 밖에 없지

0
2019.05.10
@빠빠양
0
2019.05.10
@빠빠양

감사감사!!

요즘 네트워크 서버 보안 쪽 공부하고 있어서

하드웨어 쪽도 원리가 궁금했는데

아주 좋구만 ㅎㅎ

연재는 안함? ㅋ

0
2019.05.10
@렙 초보자

 

연재를 할 만한 실력도 없고 귀찮아 ㅋㅋㅋ

심심하면 하나씩 올릴수도 있고

0
2019.05.10

공부하면 머리 아파서 CPU도 머리 잉야잉야하는 줄

0
2019.05.10

아까 폰이라 대충 썼는데 일과 일률의 차이를 지적한 이유는 V와 I의 곱이 일률이기 때문에

발열량 계산에 있어서 중요해지는거는 단위시간동안 몇'번'이 아니라 몇'시간'동안 작동했냐가 되기 때문임

글고 그래프에 W라고 써두면 그걸 보는 사람들은 모두 그걸 일이라고 생각하지 와트라고 생각하진 않음 단위 표기는 되게 중요함

0
2019.05.10
@꺘꺘 꺘꺘꺘

나는 걍 일률 W 라 쓰고

일을 말할때는 뒤에 시간단위 붙여서 써온지라

일W, 일률P 는 생각도 못 했음

0
2019.05.10
@빠빠양

그래프에도 W가 나오고 열역학 1법칙에도 W가 나오는데 실제론 앞에건 일률이고 뒤에건 일이니까 첨 보는 사람들은 헷갈리게 됨

 

0
2019.05.10

실제로 발열량 계산을 할때는 저런식의 접근보다 cpu자체가 다중의 캐퍼시터로 이뤄진거나 다름없기 때문에 캐퍼시터의 용량과 주파수, 가해준 전압의 제곱의 곱으로 표기함

0
2019.05.10
0
2019.05.10

걍 전기장판 열나는거랑 똑같음

0
2019.05.10

그냥 열역학때문임

0
2019.05.10

문과생한테 수학 문제 풀어보라고 던져주면 걔 머리에서 열나는 거임

0
2019.05.10

리사수 안 넣어줘서 ㅂㅁ

0
2019.05.10
@번째혼밥
2
2019.05.10
0

비슷한 이야기를 문과친구에게 해줬을때 갸는 "왜 스위치에 들어가는 온오프 신호를 바로 출력으로 안쓰고 꼭 트렌지스터를 써야함?"이라고 물어보던디. 일단 왜 트렌지스터를 쓰는지부터 모르니 ㅠㅠ

0
2019.05.11

팩트: 문과는 이거 안읽음

0
2019.05.12

비문학읽는거같네 ㅡㅡ

 

0
2019.05.12

우우.. 문과도 어떻게든 이해한다

0
2019.05.13

좆같은 전자계산기구조를 또 여기서 보고있다니... 이런

0
2019.05.13

트랜지스터는 엄밀히 말하자면 밸류가 정확히 0과 1이 아닐 뿐더러 이론적으로 0.5에 해당하는 값 또한 존재함. 이걸 이걸 이용해 3진법 컴퓨터를 만들려는 시도 또한 있음.

0

먼소린지 모르겟고 그냥 머리쓰니까 열나는거지 열역학 1법칙모름?

0

전류가 흐르는게 전자에 있던 힘이 옆 전자에게 이동하는 것이고 충돌을 통해 이동하는 것이니 마찰이 생기고 그렇기에 열이 발생한다는 것이지?

0
2019.05.17

설명 진짜 잘한다 ㅋㅋㅋ 모르는사람도 니 글만 보면 쏙쏙 이해될듯

0

실리콘웨이퍼에 홈파는그런거에양?

0

역시 문과라 중간에 내림

0
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