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title: "평균 전력은 같은데, 왜 칩의 한쪽만 더 뜨거울까"
author: "브레이브브라우저쓰자"
published_at: "2026-10-03T03:00:00.092Z"
updated_at: "2026-09-30T05:44:05.163Z"
tags: ["반도체","반도체 이론","공학","기술 해설","칩 공장"]
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# 평균 전력은 같은데, 왜 칩의 한쪽만 더 뜨거울까

[원문](https://ariser.io/@writer_a9817d5a8de0/%ED%8F%89%EA%B7%A0-%EC%A0%84%EB%A0%A5%EC%9D%80-%EA%B0%99%EC%9D%80%EB%8D%B0-%EC%99%9C-%EC%B9%A9%EC%9D%98-%ED%95%9C%EC%AA%BD%EB%A7%8C-%EB%8D%94-%EB%9C%A8%EA%B1%B0%EC%9A%B8%EA%B9%8C)

## 난방비가 같아도 방마다 온도는 다르다

같은 전기요금으로 난방한 집 두 채가 있다고 하자. 하나는 모든 방을 조금씩 데우고, 다른 하나는 작은 방 하나에 난방을 몰아준다. 사용한 에너지만으로 가장 더운 방의 온도를 알 수는 없다. 칩에서도 총전력만 보면 열이 어디서 생겼고, 얼마나 오래 머물렀는지 빠진다.

전력은 에너지를 사용하는 속도이며 단위는 W다. 온도는 그동안 들어오고 나간 열의 결과다. 같은 전력이라도 열이 빠져나갈 경로와 열을 받아들이는 물체의 크기가 다르면 온도가 달라진다. 버지니아대의 HotSpot 모델은 이 때문에 칩을 기능 블록과 패키지의 열저항·열용량 네트워크로 나눠 계산한다. [HotSpot 개발팀 설명](https://lava.cs.virginia.edu/hotspot/)

## 열저항은 출구, 열용량은 잠시 쌓아둘 공간

열저항 R_th는 주어진 온도차에서 열이 얼마나 잘 빠져나가는지를 나타낸다. 단위는 K/W다. 열용량 C_th는 온도를 1K 올리는 데 필요한 에너지로, 단위는 J/K다. 둘을 합치면 ‘얼마나 뜨거워질까’와 ‘얼마나 빨리 뜨거워질까’를 함께 설명할 수 있다.

개념을 보기 위해 칩 일부를 온도가 균일한 한 덩어리로, 바깥을 일정한 온도의 열 저장고로 단순화해보자. 그 덩어리의 에너지 보존은 다음과 같다.

```text
C_th·dΔT/dt = P(t) − ΔT/R_th
```

ΔT는 덩어리와 바깥 기준점의 온도차, t는 시간, P(t)는 그 안에서 발생하는 열의 전력이다. 왼쪽은 내부에 열에너지가 쌓이는 속도다. 오른쪽에서는 발생한 열에서 밖으로 나가는 열을 뺀다. 열저항만 있는 계산은 온도가 자리 잡은 상태를 다루지만, 열용량이 들어오면 가열과 냉각의 지연까지 표현한다. [TI, Alex Hansen의 Thermal dynamics 강의](https://www.ti.com/video/6243719539001)

## 같은 10W라도 최고 온도는 다를 수 있다

처음에 온도차가 0이고, 일정한 열전력 P₀를 갑자기 가한다고 하자. R_th와 C_th가 변하지 않는 이 단순 모델의 응답은 다음과 같다.

```text
ΔT(t) = P₀·R_th·[1 − exp(−t/(R_th·C_th))]
```

처음부터 최종 온도로 뛰어오르지 않고 서서히 접근한다. R_th와 C_th의 곱은 초 단위의 열 시간상수다. 시간상수만큼 지나면 최종 온도 상승분의 약 63%에 도달한다. 이 숫자는 위 식에 시간을 대입한 결과이지, 특정 CPU의 측정값이 아니다.

같은 장치가 10W를 계속 쓰는 경우와, 20W로 절반의 시간만 켜졌다 꺼지는 경우를 생각해보자. 둘의 평균은 10W다. 하지만 켜진 시간이 열 시간상수보다 충분히 길면 두 번째 경우의 최고 온도는 20W를 계속 가했을 때에 가까워질 수 있다. 반대로 훨씬 빠르게 반복하면 열용량이 온도 출렁임을 줄인다. 짧은 펄스 하나가 무사했다고 같은 펄스를 계속 반복해도 안전하다는 뜻은 아니다. 이전 펄스의 열이 남을 수 있다. [TI, 과도 열응답과 펄스 폭·듀티비 설명](https://www.ti.com/lit/pdf/slva158#page=4)

## 더 큰 방열판만으로 끝나지 않는 이유

실제 칩에는 이런 한 덩어리가 수없이 연결돼 있다. 작은 연산 블록에 전력이 집중되면 이웃 블록과 패키지로 열이 퍼지는 동안 국소적인 고온점이 생긴다. 같은 총전력이라도 배치와 시간에 따른 동작 분포가 중요하다. 전력 밀도만 알아도 충분하지 않다. 열원의 크기와 주변 냉각 경로까지 온도에 영향을 준다. HotSpot의 저항·열용량 네트워크가 공간을 나누는 이유다. [버지니아대 HotSpot 연구](https://www.cs.virginia.edu/~skadron/Papers/hotspot_isca03.pdf)

열용량을 늘리면 짧은 순간의 온도 상승을 늦출 수 있지만, 그것만으로 계속 발생하는 열을 없앨 수는 없다. 충분히 시간이 지난 뒤의 온도를 낮추려면 열이 빠져나가는 경로도 개선해야 한다. 더 큰 구조물은 공간을 차지하고, 더 강한 팬이나 펌프는 전력을 쓴다. 뜨거운 블록의 일을 줄이면 냉각 부담은 줄지만 처리 성능을 내줘야 한다.

데이터시트의 열저항 숫자도 무조건적인 재료 상수는 아니다. 특히 접합부에서 주변 공기까지의 값은 시험 기판과 공기 흐름 같은 조건에 좌우된다. TI는 이를 다른 시스템에 그대로 넣는 오용을 별도로 설명한다. [TI, 패키지 열 지표 해설 1절](https://www.ti.com/lit/pdf/spra953#page=2)

전력계의 평균 숫자가 멀쩡해도 특정 위치의 최고 온도는 한계에 닿을 수 있다. 냉각을 평가할 때는 전력의 크기 옆에 위치와 지속시간을 함께 적어야 한다. 열저항은 탈출 경로를, 열용량은 그 경로로 빠져나가기 전의 시간을 설명한다.