안녕하세요
보통 cpu나 gpu 발열을 잡기 위해 쿨링을 하지 않습니까?
학교때 배운걸로는 온도가 올라가면 원자의 활동이 활발해져서 오히려 연산이 빨라져야 하는줄 알았는데
그게 저항 때문에 생기는 발열이라고 들었습니다.
전자의 경우는 왜 온도가 낮을수록 더 빠른속도로 연산이 가능하고 오버클럭도 가능한지요..
질문인즉슨 원자는 연산할수록 왜 열이나고 전자는 온도가 떨어질수록 더 잘 전달(?) 하는지 궁금합니다!
저항이 없는 초 전도체의 경우에 영하 270(?) 도 이렇게 유지 해야 가능하다는데 왜 전자는 온도가 낮을수록 유리한건지 궁금합니다!!
반갑습니다.
전자의 속도보단 캐패시터의 크기(미세공정)과 같은 부분들이 더 직접적으로 클럭 속도에 영향을 미칩니다
CPU와 GPU는 미세한 회로로 내부가 구성되어 있고 당연히 수명도 정해져 있습니다
고온에서는 이러한 미세 회로들이 열에 의해 손상을 입게 됩니다
그러니 온도가 높아지면 정상 작동을 할 수 없는것이지요
초전도 현상은 고체물리 전공자분께 바톤을 넘깁니다
반도체는 온도에 음의계수를 갖습니다 = 온도가 낮으면 저항이 낮아집니다
온도가 낮을경우 저항은 항상 일정해지고 설계한 동작대로 움직일 수 있습니다.
금속의 경우는 물질에 따라 다르지만 양의 계수를 갖습니다. 온도가 올라가면 저항이 낮아지기는 하지만
반도체로 활용을 못하니 논외로 합니다
즉 온도가 올라가면 저항이 올라가는데 저항이 올라가면 소자구동에 필요한 전류에 지장을 주게됩니다.
전압은 외부에서 일정하게 주어진다는 전제하에 저항이 올라가게 되면 전류는 줄어들게 됩니다.
하지만 소자는 동작에 필요한 수준의 전류가 필요합니다. 즉 소자의 스위칭이 안되지요
그래서 오버클럭할때 열도 오르고 하니 전압을 더 주는가 봅니다.
그리고 소자들도 열과 기타 방법을 이용하여 만들어내는 물질이기때문에 고온으로 올라가면 갈수록 수명은 줄어듧니다
열을 준상태로 힘을 계속주면 변형되듯이 비슷한 이치입니다.
나머지는 전공자분들께 맡깁니다
이 내용은 반도체 전공이 아닌 전기전공인 학우의 뇌피셜입니다
그 온도 범위를 넘어서면 동작이 안 좋아지던지 (느려진다던지 오동작한다던지 멈춘다던지) 고장이 나게 되고요..
에너지를 부품에 공급하여 동작하게 만들어도 공급된 에너지 100%를 어떤 동작이나 다른 것으로 변환이 불가능하기에
보통은 열이라는 형태로 나오게 됩니다.. (즉 동작 + 폐열)
이 열을 재대로 빼지 못하면 기기는 동작이 안 좋아지던지 열에 의해 고장이 나게 되죠..
그리고 컴퓨터공학과 나와도 그런 것을 하나 하나 밝혀가면서 증명해 줄 사람은 드물고 심지어 컴퓨터 공학과 나온 사람이
프로그램은 비 전공자보다 더 못짜는 경우도 많습니다..
반도체공학쪽으로 박사급 이상으로 디자인까지 할 줄 아는 사람이라면 어느 정도 이야기 해줄 수 있겠죠..
요즘 가끔 말나오는 양자 컴퓨터는 뜨거워야 동작한다는 말이 있습니다..
반도체 소자에따라 다르지만 CMOS는 특정 온도를 넘어가면 전자의 모빌리티가 감소하는 특성이 있습니다
상세한 답변 정말 감사합니다!★
컴공에서는 위 내용에 대해서 배우지 않고요,
반도체의 물리적인 특성에는 별로 관심이 없다고 봐야죠.
가장 로우레벨의 과목이 논리회로인데, 반도체의 물성에 대해서는 별 언급이 없습니다.
(고듬학교 과학 수준을 넘지 않습니다.)
반대로 가지고 있는 에너지가 줄어들면 입자들의 움직임도 줄어들죠.
자동차도로에 비교해보면 낮에는 엄청난 차량들이 쏟아져 나와서 돌아다닙니다.
그러나 밤 11시쯤 되면 줄어들기 시작해서 새벽 3~4시쯤 되면 거의 차량이 없습니다.
퇴근시간엔 1시간 가까이 걸리는 거리도 새벽 3시라면 15분만에 주파할수 있죠.
물질의 세계에서도 마찬가입니다. 온도가 낮아지면 입자가 가지고 있는 에너지도 줄어들어 저항이 낮아집니다.
여기에 전압을 가하면 압력을 받은 전자들이 아주 수월하게 움직일수 있게 됩니다.
한마디로 남들은 잠들어 있는데 나만 깨어 새벽 3시에 차를 끌고 나온셈이 됩니다.
이것을 물리에서는 "초전도 현상" 이라고 부릅니다.
전기가 얼마나 잘 흐르느냐에 따라 "절연체 < 부도체 < 반도체 < 전도체 <<<< 초전도체" 로 구분되는건 아실테죠? ㅎㅎ
제가 왜 이런 멍청한(?) 질문을 드렸냐면... 지인의 따님이
" 아빠 왜 학교에선 온도가 올라가면 운동이 더 활발하다고 하는데
cpu 는 쿨링을 하려고해?"
"그거야~~ 얘야 기계가 망가지니까.." 라고 답변하는것보다
먼가 다른 이해가 쉬울만한, 질문의 순수한 의도에 정확한 답을 주기위해, 사실 제가 비전문가이기때문에요..
그래도 이곳은 엠브리오님처럼 쉽게 설명해주셔서 이해가 바로 되었습니다!!
작은 입자의 수준에는 사실 그렇지 않습니다. 엄청나게 빈공간이 많습니다.
원자핵을 빼고 나머지는 거의 텅텅 비어 있다 시피하다고 보면 됩니다.
그 텅텅 비어 있는 공간을 전자들이 이리저리 마구 돌아다니는거죠.
에너지가 높아질수록 나만 운동이 활발해 지는게 아니고 다른 입자들도 똑같이 활성화 됩니다.
문제는 내가 다른곳으로 멀리 이동할때는 그게 오히려 방해가 됩니다. 나에게 와서 부딫히는 입자의 갯수가 늘어나니까요.
현 시점 제작되는 디지털 기기에서, 디지털 논리의 1,0은 내부 캐패시터가 어느이상 충전되었는지 방전되었는지로 구분합니다.
1. 온도가 높으면 원자의 활동이~~ -> 물리학에서 이야기하는 저항 R은 길이, 시간, 무게처럼 정해진 값이 아니라 유도되는 것 입니다. 그 과정에는 열저항등 엔트로피 관련 부분이 있습니다. 즉, 내가 원하는 전자의 이동 하나만 영향을 받지 않습니다.
2. 연산이 빠르다 -> 논리 전환이 잦다 -> 충방전이 빠르다 과정은 V=IR, Q=CV로 알려진 기본 규칙으로도 설명이 가능합니다.
충방전 여부에 따라 1,0이 갈리는 과정을 충전 여부로 보면 Q=CV -> V = Q/C공식이 맞겠죠.
물리학에서 1초당 1Q가 도선에 흐를때 1A로 정의합니다.
다시말해 빠르게 원하는 V를 만드려면 Q를 늘리거나(전압을 늘린다) C를 줄여야 (미세공정) 할겁니다.
여기서, 1,0의 전환이 빠르다 -> Q만큼의 충방전이 잦다 -> 소요 전류가 많다 -> 열손실이 많다 -> 고클럭 고전력의 결론이 됩니다.
Q의 전하가 도선에 흐르는것을 방해하는 여러 요소가 있을텐데, 보통 전류량과 등가저항에 비례한 열손실로 계산됩니다.
등가저항을 0에 수렴하는 것으로 계산하는 초전도체는 그 방해요소가 적거나 없다고 보시면 됩니다.
저항이 0이니 전류가 얼마건 곱셈결과 손실이 0이 되는거죠,.
즉 디지털 1,0의 문턱치를 가르는데 필요한 Q의 양을 바로바로 만족시킬수 있어 저전력 고속 연산이 가능하다고 이야기 합니다.
다만! 이건 전하의 이동만 고려한 이야기이고, 초전도체를 반도체 처럼 제어하려면 일반 집적회로와 다른 물리법칙이 필요합니다. 조셉슨 소자를 따로 알아보시면 됩니다. 다시 말해, 일반 반도체에는 통용되지 않는 이야기입니다.
3. 2에서 처럼 빠르게 충방전을 할 수 있게 되어도, 그걸 1,0으로 구분하는 부분은 다릅니다.
충방전이야 어쨌건, 그걸 보고 있는 로직이 1,0을 구분 못한다면 쓸모가 없겠죠.
그리고 의도한대로 동작하는 환경을 스펙이라고 합니다.
오버클럭에서 등장하는 액체질소는 온도가 낮을수록 좋아서 그런것이 아니라,
액체질소정도를 쓰지 않으면 스펙을 맞출수 없다고 보는것이 맞을것 같습니다.
반도체는 전자의이동을 방해하는 물질이 포함된거고 초전도체는 전자의이동만을 위해 만들어진 물질이기때문에 이두개를 놓고 비교는 잘못된거 같아서요.. 하하하
어떤 때에는 잘 흐르고 어떤 조건에서는 흐르지 않죠.
전류가 흐르지 않을때는 방해가 되는게 맞을테지만, 반대로 잘 흐를때는 방해가 된다고 보기 어렵겠죠?
그래서 이름도 반도체인거구요. 대표적으로 다이오드를 생각하면 됩니다.
다들 아시는 거지만 한쪽으로만 전자가 흐르고 반대방향으로는 흐르지 않습니다.
질문 하신분의 요점은 온도가 낮아지면 왜 전자가 더 전달되느냐를 물어본거라 "금속물질"을 가지고 개념적으로 알기쉽게 설명드린것 뿐입니다.
반도체와 초전도체를 직접적으로 비교하는건 지적하셨다 시피 뭔가 좀 이상하죠.? ㅎㅎ
반도체와 부도체 혹은 절연체는 금속과는 저항특성이 다릅니다.
어떤 무식한(?) 분께서 저의 글을 끝까지 읽어보지도 않고 "반도체"가 어쩌구 저쩌구 댓글을 달아놨습니다만..그냥 무시해주세요.
"금속 쇳덩어리"라고 분명히 언급해놨는데도. -_- 그냥 아무글에나 자기가 지껄이고 싶은대로 휘갈겨 대는 부류의 관심종자인지라..@@
저는 반도체에 대해 언급한적이 없거든요.
물질이 온도에 따라 저항 특성이 어떻게 되는지는 그냥 아래 링크를 보는게 훨씬 낫겠습니다.
http://if-blog.tistory.com/5650
위의 링크에 그림을 보면, 금속의 경우 온도가 올라가면 저항도 증가하는걸 볼수있습니다.
이 둘을 비교하는건 빨리 연산하느냐, 많이 연산하느냐...가 되는거 같습니다.
쉽게 생각하면 전자가 원을 1초에 한바퀴 돈다고 생각해 봅시다.
10초를 기준시간과 1초에 100개의 전자만 출발하세요를 기준조건으로 두고,
온도에 의해 전자의 속도가 빨라지는것은 전자가 한바퀴를 1초에 돌던 것이 온도가 높으면 한바퀴를 0.9초에 돌게 되는 것이라고 한다면
0.9초에 한바퀴를 돈 전자는 곧바로 다음 바퀴를 돌지 않습니다. 1초에 100개의 전자만 출발하도록 정해져 있으니까요.(클럭)
한바퀴를 0.9초에 돌고 난 전자는 나머지 0.1초를 기다리게 되지요.
클럭수를 조정하여 속도가 빨라지는 것은 1초에 100개만 출발하세요를 1초에 133개만 출발하세요로 조건이 다르게 됩니다.
당연히 10초동안 1초에 133개의 전자가 출발한 쪽이 원을 더 많이 돌게 되지요.
CPU 클럭은 시간 Base이기 때문에 이렇게 비교하는게 맞습니다.
만약 클럭을 시간 Base로 정한 Static이 아닌, 되는만큼 돌릴 수 있도록 하는 Dynamic방식으로 설계된 것이라면
온도도 CPU성능에 매우 중요한 요소가 될 수 있지요.
대학교때의 기억으로는 온도 변화에 따른 전자의 속도가 있기는 하지만 그리 크지는 않았던걸로 기억합니다... 2%정도였던가 0.2%정도였던가...