TDP를 알아야 하나요?

컴퓨터를 구입하는 데에 있어서 TDP를 관심있게 보는 사람은 없다.

Intel은 4세대 Core 아키텍처인 Haswell 부터 Turbo Boost Technology를 도입했다. 이 때부터 TDP의 수치는 성능의 구분할 수 있는 지표가 되었다. 그래도 여전히 더 높은 스펙을 가진 제품이 더 높은 성능을 보여주었기 때문에 소비자들은 TDP에 큰 관심을 갖지 않았다.

하지만 Intel에서 8세대 Mobile Processor가 Quad Core로 출시되면서 TDP는 중요해졌다. 데스크탑, 고성능 노트북, 저전력 노트북 모두 쿼드코어인데, 여기서 성능의 차이는 TDP를 따라가기 때문이다.

TDP가 뭔가요?

TDP는 Thermal Design Power의 약자로, 열 설계 전력이라고 번역한다.
이렇게 번역하고 보니 많은 사람들이 전력이라고 착각한다. 또한 TDP의 단위에 W(watt)를 사용하니 더 착각하기 쉽다.
이런 착각이 생기는 원인은 파워의 번역이다. Power의 기본적인 뜻은 '힘'이다. 다만, 전자제품이고 사전에 전력이라는 뜻도 있으니 전력이라고 번역하기 쉽다.

실제로는 TDP는 전력과는 전혀 관계가 없다.

첫번째 이유는 열과 전력은 같은 위치에 있을 수 없다. 에너지 효율에 관한 위키피디아 문서를 보자. 에너지 효율이란 "투입한 에너지에 대해 이용할 수 있는 에너지의 비"이다.

에너지를 투입하면 에너지의 일부를 System에서 사용하고 에너지의 일부는 Loss된다. (실제로 그림처럼 효율이 높은 제품은 거의 없다.)

CPU에서 열은 일이 아닌 Loss이다. 즉, 발열량이 15W이면 전력소비는 반드시 15W를 넘어야 한다. 발열이 15W인데 전력소비가 15W라면 에너지 효율은 0이다.

그러므로 열과 전력은 비례 관계를 가질 수는 있지만 발열량이 15W라고 고정이 되면 열과 전력은 같은 공간에 있을 수 없다는 것이다.

두번째 이유는 TDP의 'Design(설계)'에 있다. 설계 전력이라고 하면 마치 15W의 전력소비를 넘지 않을 것 같다. 해당 CPU와 연결된 컴퓨터는 이 설계에 따라 15W를 제공할 수 있으면 충분한 구성을 가진 컴퓨터가 된다. 그러면 CPU는 Boost Clock을 이용할 수 없다. Boost Clock은 설계보다 더 많은 전력이 필요하기 때문이다. 아니면 CPU 내부에 Boost Clock을 이용할 때를 위해 전력을 저장하는 축전기가 있으면 된다. 반대로 열 설계라고 생각해보자. 해당 CPU와 연결된 컴퓨터는 CPU에서, 본체 내에서 15W의 열을 빼는 능력만 있으면 된다. CPU는 Boost Clock을 이용하면서 너무 많은 열이 CPU나 본체 내에 축적되면 쓰로틀링(Thermal Throttle)을 통해 열을 조절할 수 있다.

세번째는 논리가 아닌 경험적 근거이다. 필자의 CPU는 아래 라이젠의 소비전력 그래프와 거의 비슷한 수율을 가지고 있는데, Cooling 능력이 65W인 쿨러로 3.6Ghz까지 문제없이 오버클럭이 된다. 하지만 그래프를 통해 알 수 있듯이 소비전력은 130W 가까이 된다. TDP가 소비전력과 관계가 있다고 보기에는 그 차이가 크다.

그러니까 'TDP 가 15W이다' 라고 정의되었을 때, 여기서 15W는 전력이 아닌 발열량인 것이다.

자세한 내용은 TDP에 대한 위키피디아(영문)를 보자.

그러므로 TDP는 열설계전력이라고 번역하는 대신 열설계력이라고 해석해야 한다. 물론 관용적으로 열설계전력을 사용할 수 있지만, 이 단어를 보면서 전력과는 관련이 없다는 것을 상기해야 한다.

TDP가 왜 중요한가요?

그렇다면 TDP를 왜 중요하게 봐야 할까? 단순히 해석만 하자면 CPU가 15W의 열을 배출할 수 있는 컴퓨터 환경을 전제로 하는 설계했다는 것이다. 이렇게 생각하면 다른 의문도 해결된다. CPU들이 클럭이 다른데도 TDP가 같은 경우가 있는데, 그 이유는 CPU의 스펙을 나타낸 것이 아니라 이 CPU를 사용하는 데에 필요한 외부의 쿨링 능력이었기 때문이다.

아래 비교군을 보자

인텔 i5-7600은 Turbo Clock 4.1Ghz를 가지고 있다. 인텔 i7-7920HQ도 Turbo Clock 4.1Ghz를 가지고 있다. 하지만 각각 베이스클럭 3.5Ghz, 3.1Ghz로 65W, 45W이다.

인텔 i7-7920HQ는 Clock Limit 없이 TDP 35W로도 구성이 가능한데, 데스크탑 프로세서도 TDP 36W인 제품이 있다.
인텔 i7-7700T는 Turbo Clock이 3.8Ghz로 차이가 크다. 반면에 Base Clock은 2.9Ghz로 Base Clock이 3.1Ghz인 i7-7920HQ와 비슷하고 TDP도 같다.

데스크탑 프로세서와 모바일 프로세서는 타겟이 다르다. 클럭이 같다고 하여도 구성이 다르다.

그럼에도 불구하고 위 제품들에서 TDP와 Base Clock은 큰 연관이 있다는 것을 알 수 있다.

베이스 클럭은 뭔가요?

TDP에서 알 수 있듯이 '열'으로 결정한다. 하지만 데스크탑과 모바일은 조금 다르다.

데스크탑 프로세서는 메인보드 제조사가 따로 있는 경우가 대부분이다. 그리고 메인보드에 따라 성능차이가 있어서 소비자들은 메인보드에 따른 벤치마킹 결과를 참고해서 메인보드를 선택한다. 그렇기 때문에 보틍의 데스크탑 메인보드들은 Fan을 조절해서 TDP제한에 걸리지 않게끔 열을 해소한다.

노트북은 다르다. 메인보드를 노트북 제조사가 만들기 때문에 보통 메인보드가 달라지면 컴퓨터 스펙 자체가 달라진다. 완전한 비교는 어려운 것이다. RAM, SSD 등은 메인보드보다 더 컴퓨터의 성능에 영향을 미친다. 또한 노트북은 배터리가 오래가고 조용하고 가벼워야 한다. 소비자들도 데스크탑에 비해 더 낮은 성능을 감안하고서 가볍고, 조용한 노트북을 구입한다. 성능이 높으면 좋지만 노트북을 고르면서 첫번째 요소가 성능이 되지는 않는다. 그래서 보통의 노트북은 베이스 클럭으로 작동하도록 설계한다.

노트북은 베이스 클럭으로 작동한다는 것은 데스크탑 컴퓨터에 대해 상대적인 의미이다. 노트북이라고 무조건 베이스 클럭으로만 작동하는 것은 아니다. 고성능 노트북이나 쿨링이 뛰어난 노트북은 부스트 클럭으로 작동하는 시간이 길 것이고, 저소음 노트북이나 가벼운 노트북은 부스트 클럭으로 작동하는 시간이 짧을 것이다.(2019.10.29 개정)

출처 : hwbattle.com

위 사진에서 전압을 보자. 사진을 보면 클럭이 오르는데, 소비전력은 크게 오른다. 여기서 관심있게 봐야 할 것은 전압이다. 3.5Ghz까지는 전압이 같은데, 소비전력 증가량이 일정하다. 반면, 3.6Ghz부터 전압이 오르는데, 소비전력도 크게 오른다. 3.9Ghz는 전압도 크게 오른다.
소비전력은 전압에 따라 갈린다고 봐도 될 정도로 전압의 영향을 받는데, 클럭이 높아지면 그 전압도 크게 오른다.

클럭이 높아지면 전압이 크게 높아지는데, 소비전력은 전압의 제곱만큼 증가한다. Clock, 즉 일은 비례적으로 증가하는데 소비전력은 전압의 제곱만큼 증가하니, 그 만큼 에너지 효율이 떨어지고 발열량이 크게 증가하는 것이다.
그러므로 부스트 클럭을 유지한다는 것은 배터리 소모를 크게 늘리고 팬 소음도 커진다는 것이다. 이런 차이 때문에 데스크탑 프로세서는 All Core Boost 또는 Boost Clock을 보면 프로세서의 성능을 알 수 있지만, 노트북은 (용도에 따라 다르지만; 보통은) 베이스 클럭을 봐야 한다.

물론 편법으로 부스트 클럭을 유지할 수는 있다. 하지만 편법이 적용되지 않는 제품도 있고, 편법을 적용했는데도 쿨링 능력이 부족하면 클럭이 떨어질 수 있다. 수동으로 조절해서 사용하고 싶다면 충분히 알아보고 구입해야 한다.

여기까지 읽고 나면 드는 의문이 하나 있다.

그러면 베이스 클럭을 보면 되는 것 아닌가요?

그래서 재미있는 비교군을 가져왔다.

i7-7920HQ : 4 Cores, 3.1Ghz up to 4.1Ghz, TDP 45W
i7-7660U : 2 Cores, 2.5Ghz up to 4.0Ghz, TDP 15W
i7-7567U : 2 Cores, 3.5Ghz up to 4.0Ghz, TDP 28W
i7-7560U : 2 Cores, 2.4Ghz up to 3.8Ghz, TDP 15W

i5-7440HQ : 4 Cores, 2.8Ghz up to 3.8Ghz, TDP 45W
i5-7200U : 2 Cores, 2.5Ghz up to 3.1Ghz, TDP 15W

몇 개의 CPU 스펙을 가져왔다. i7끼리, i5끼리 묶었다. i7이 등급이 높지만 성능 순서는 절대 아니다.

그래서 성능 순서로 재 정렬해보면

i7-7920HQ : 4 Cores, 3.1Ghz up to 4.1Ghz, TDP 45W
i5-7440HQ : 4 Cores, 2.8Ghz up to 3.8Ghz, TDP 45W

i7-7567U : 2 Cores, 3.5Ghz up to 4.0Ghz, TDP 28W

i7-7660U : 2 Cores, 2.5Ghz up to 4.0Ghz, TDP 15W
i7-7560U : 2 Cores, 2.4Ghz up to 3.8Ghz, TDP 15W
i5-7200U : 2 Cores, 2.5Ghz up to 3.1Ghz, TDP 15W

이렇게 된다. TDP가 같은 것끼리 묶인다.

듀얼코어이면서도 베이스클럭이 굉장히 높아 TDP가 높은 제품이 있다. 좀 더 찾아보면, 쿼드코어이면서 듀얼코어보다 베이스클럭이 낮은 경우도 있다. 이러한 차이를 구분할 필요가 없는 기준이 TDP이다.

쿼드코어 저전력 모바일 프로세서는 뭐가 좋아요?

작년, AMD가 모바일 프로세서 저전력 라인에 쿼드코어를 출시했다. 그리고 인텔도 AMD의 공격적인 제품 구성에 발빠르게 새로운 제품을 내놓았다.

지금까지의 CPU는 듀얼코어 CPU보다 쿼드코어 CPU의 성능이 확실히 좋았기 때문에 AMD가 저전력 라인에 쿼드코어를 출시하니 소비자의 마음이 AMD쪽으로 기울 수밖에 없었다. 그래서 인텔이 급히 저전력 라인에 쿼드코어를 출시하게 된다.

하지만 인텔의 장점은 멀티코어가 아니다. 인텔은 코어당 성능이 굉장히 좋다. 인텔은 2013년에 출시된 하스웰도 4.5Ghz이상으로 오버클럭하는 데에 1.25V이상을 넘지 않았다. 순정 상태의 전압은 말할 것도 없다. 2017년에 출시된 Ryzen은 같은 전압으로는 3.7Ghz정도가 최선이다. 반면에 Multi Core 성능은 인텔의 장점이 아니다. 이전 글에서도 멀티코어 성능에 대해 언급했다. AMD는 비셰라부터 멀티 코어를 지원하는 프로그램에 대해서는 강한 모습을 보여줬다. 라이젠 또한 멀티코어 성능은 인텔보다 좋았다. 이런 양상은 라이젠 이후 출시 된 Intel 8세대 프로세서에서도 나타난다.

아래는 Intel i7-8700k와 AMD Ryzen 5 1600x를 비교한 표이다.

AMD Ryzen 5 1600x와 Intel i7-8700k는 베이스 클럭을 보면 거의 비슷한 스펙인 것 같지만 사실은 그렇지 않다. 앞서 말한 것과 같이 인텔은 클럭이 높은 게 장점이다. 같은 TDP를 가지고도 실제 작동 주파수가 0.7Ghz가 높다. (데스크탑 프로세서이므로 Boost Clock을 비교한다.) 라이젠이 출시될 때는 IPC가 인텔에 거의 근접했다고 알려지기도 했었는데, AMD Ryzen 5 1600x와 Intel i7-8700k의 싱글쓰레드 벤치마킹 점수의 차이는 두 CPU의 클럭 차이보다 더 크게 나타났다. 즉, 해당 벤치에서 수행하는 연산에 대해서는 AMD의 IPC가 인텔 8세대 프로세서에 못미친다는 뜻이다. 반면 멀티코어의 점수는 그 격차가 감소했다. 단순계산(단순계산일 뿐이다. 실제로는 다를 수 있다)으로 클럭을 같게 했을 때는 라이젠이 오히려 더 높은 성능을 보여준다.

인텔은 클럭이 높을 때에 유리함에도 불구하고 클럭을 낮추고 쿼드코어를 출시했다. 클럭은 라이젠 프로세서보다 더 낮다. 모바일 라이젠의 최하위 모델인 Ryzen 3 2300u는 Base Clock이 2.0Ghz이고 Boost Clock이 3.4Ghz이다. 최상위 모델인 Ryzen 7 2700u는 Base Clock이 2.2Ghz이고 Boost Clock은 3.8Ghz이다. 인텔은 최하위 모델인 i5-8250u는 Base Clock이 1.6Ghz이고 Turbo Clock이 3.4Ghz이다. 최상위 모델인 i7-8650u는 Base Clock이 1.9Ghz이고 Turbo Clock은 4.2Ghz이다.

이번 인텔 8세대 모바일 프로세서의 장점은 Turbo Clock이다. 그리고 넓은 주파수 범위(Frequency Range)에 있다. 인텔이 지금까지 Dual Core를 판매한 것은 장점이 있기 때문이다. 멀티 쓰레드를 지원하지 않는 프로그램에서는 클럭이 높은 게 유리하기 때문이다. 아직까지도 멀티코어를 지원하지 않는 프로그램이 있는데, 그런 프로그램에서 3.8Ghz이상을 요하는 프로그램도 봤다. 인텔은 Turbo Clock을 4.0Ghz로 만들었다. 멀티 쓰레드를 지원하지 않는 프로그램에서 인텔의 장점을 살려 4.0Ghz로 작동하면서, 높은 클럭으로 생긴 열을 낮은 베이스 클럭으로 보상할 수 있다. 클럭이 낮으면 열효율이 증가하기 때문에 성능을 더 높게 오래 유지할 수 있다.
라이젠은 반대로 베이스 클럭을 높여서 멀티코어를 지원하는 프로그램에 대해 높은 성능을 내도록 구성했다.

HQ모델을 기대하지는 말자

이 글을 통해 꼭 하고 싶었던 말인데, 열이 제대로 해소된다면 분명히 i5-8250u는 쿼드코어의 퍼포먼스를 보여줄 것이다. 컴퓨터 부팅, 웹서핑, 문서편집 등은 쿼드코어의 퍼포먼스를 보여줄 것이다. 하지만 보통의 쿼드코어 시스템에서 기대하는 동영상 렌더링, 프로그램 컴파일, 게임 플레이는 계속적으로 발열이 생기게 되고 TDP에 따라 클럭이 감소할 것이다. 아이러니(?) 하게도 i5-8250u는 쿼드코어의 퍼포먼스를 보여줄 것이지만, 쿼드코어에서만 원활하게 이용 가능한 프로그램을 구동할 때는 쿼드코어의 성능을 기대할 수 없다. 웹서핑이나 간단한 문서작업은 게이밍 PC만큼 빨라질 것이지만, 게임은 할 수 없다. 그러니 고성능의 노트북이 필요한 것이라면 저전력 제품을 구입하진 않아야 한다.