언더클럭

1. 개요[편집]

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Underclock / Downclock

언더클럭(다운클럭)은 오버클럭의 반대로, CPU의 클럭을 정규 클럭보다 낮추는 것을 말한다.

말 그대로 성능을 낮추는 것인데, 멀쩡한 제품을 더욱 성능 낮게 세팅하여 사용한다는 것이 말이 되지 않을수도 있지만 필요한 전력량을 줄여 발열을 잡아 하드웨어 수명을 늘리거나, 저소음 시스템을 구성하거나, 모바일 기기의 경우는 디스플레이에 이어 두 번째로 배터리를 많이 소모하는 AP의 클럭을 조절하여 배터리 수명을 늘리려는 노력 등 효율성을 위하여 시도하는 경우가 적지 않다.

CPU의 클럭이 낮아지면 발열과 전력 소모가 줄어들기 때문에 배터리 수명이 중요한 모바일 기기뿐만 아니라 데스크탑 CPU에도 자동으로 클럭을 조절하는 기능이 달려 나온다. 전문용어로는 DFS(동적 주파수 전환: dynamic frequency switching)라고 한다. 전압까지 내려주면 DVFS(동적 전압 및 주파수 전환: dynamic voltage and frequency switching)이다.

의외로 언더클럭 관련 기술이 나온 것은 요즘이 아니다. x86 기준 1978년에 발표된 인텔 8086 CPU부터 동작을 일시 정지시키는 HLT 명령[1]이 내장되어 있었다[2]. 2000년에 출시된 코퍼마인 모바일 펜티엄 3부터 전압과 클럭을 조정하는 전력 관리 기술인 SpeedStep이 내장되었다. 같은 해에 AMD는 PowerNow!를 내장한 모바일용 K6-2+를 출시했다. 데스크톱 쪽은 AMD가 2003년에 출시한 애슬론 64부터 Cool'n'Quiet를 탑재했고, 인텔은 2005년에 출시된 펜티엄 4 프레스캇-2M부터 Enhanced Intel SpeedStep을 탑재했다. 이전의 데스크톱 펜티엄 4에도 On demand clock modulation(ODCM)이라는 기능이 들어가 있었으나, CPU의 전압과 클럭을 조정하는 방식이 아닌, 부분적으로 일시 정지시키는 방식이었기 때문에 절전 효과는 크지 않았다.

인텔은 코어 2에서 C1E[3], C3E(Deep Sleep)와 C4E(Deeper Sleep) 같은 추가적인 절전 기능을 도입하여, 성능이 필요한 다양한 조건에서도 최적의 절전을 꾀하고 있다.

• FIVR의 이점으로, 멀티코어에서 각 코어의 클럭과 전압을 완전히 독립적으로 조절할 수 있으며, 전압을 바꾸는 속도가 MHz 단위가 되어 기존보다 수십~수천 배 빨라졌다.(원래 클럭을 바꾸는 속도보다 전압을 바꾸는 속도가 훨씬 느리며 - ASUS X79 메인보드 기준으로 기본 350KHz, 최대 500KHz에 불과하다! - 이 때문에 클럭/전압을 낮출 때는 클럭을 먼저 내리고 전압을 낮춰야 되며, 올릴 때는 전압을 먼저 올리고나서 전압이 다 올라간 후에 클럭을 올려야 된다. 이 때문에 렉이 있으며, 타이밍이 꼬이면 전압부족으로 다운된다.[4]
  불량품이 아닌 이상 순정 세팅에서 이런 경우는 없으나, 오버클럭으로 클럭 및 전압 설정이 달라지거나 하면 문제가 생길 수 있다.
  ) 다만 FIVR 자체의 전자파 간섭과 발열을 감당하지 못했는지 바로 다음 세대에서 도로 빼버렸다. 대신 절전 기능의 반응속도 문제는 스카이레이크에서 다른 기술로 어떻게든 개선한 모양이다.

AMD 라이젠도 SenseMI에서 HW적으로 컨트롤하여 비슷한 수준으로 보인다. 대신 윈도우의 기본 전원 프로파일이 라이젠의 기능을 완전히 지원하지 못하는 관계로 절전 기능을 포기하고 고성능 프로파일로 쓰거나, 전용 프로파일을 설치해야 했다. 현재는 AMD Chipset Drivers에 내장되어 있어 자동으로 같이 설치된다. #(댓글 참고) 또한 레드스톤 3부터는 관련 문제가 다 패치되어서 그냥 균형 프로파일을 쓰는 게 맞다고 한다. # (AMD 기술 마케팅 부서 직원(AMD_Robert)이 댓글 부분 참고)

다만, 프로그램(특히 게임)의 멀티코어 활용률이 낮아서 CPU 점유율 %가 낮은 걸 아이들로 착각하고 절전 모드가 작동해서 성능 까먹는 문제는 여전하다.(라이젠 전용 프로파일은 해당 문제가 거의 없지만 CPU 최소 클럭을 90%로 올려놔서 전력 낭비가 있는 편이다.) 때문에, 게임 등 고성능 프로그램 실행 중에만 절전 기능을 해제하는 최적화가 여럿 나왔다. 윈도우 10 레드스톤 5에서는 윈도우 순정 기능(게임모드)에서도 해당 기능이 추가되었다. 성능과 절전을 모두 챙기는 최적화 - 게임할 때만 CPU 클럭을 올리자

ARM의 경우 저런 기술로도 부족하다고, 애초에 저성능 저전력으로 설계한 코어와 고성능 고전력으로 설계한 코어를 모두 사용하는 기술도 쓰고 있다. 자세한 건 ARM big.LITTLE 솔루션 참고.

2. 지나친 언더클럭의 부작용 (언더클럭과 안정성은 비례한다?)[편집]

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정규 클럭에서 클럭이 다운되면 부품의 수명이 늘어나는 효과도 있다. 실제로 같은 세대 칩들이라도 서버등 전문적인 분야를 목적으로 나온 제품들은 동급의 PC/게이밍 제품군에 비해 클럭이 낮은 편이다. 애초에 인텔/AMD의 데스크톱 CPU/GPU 제품군은 고성능이 안정성보다 중요하기 때문에 정규 클럭을 더 높여서 출시하고 있으므로 이런 제품군에서는 언더클럭이 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

하지만 언더클럭을 많이 한다고 비례해서 안정성이 계속 올라가지는 않으며, 오히려 지나친 언더클럭은 안정성을 떨어뜨린다. 애초에 안정성을 염두에 두고 설계한 서버용 Xeon등 고신뢰성 제품군들은 단순히 클럭만 낮춘 게 전부가 아니라, PC/게이밍 제품군을 언더클럭 해봤자 고신뢰성 제품군을 사용하는 것에 비할 바가 아니므로 안정성 향상 목적의 공격적인 언더클럭은 거의 무의미하다.

너무 낮은 클럭에서는 CPU가 작동하지 않는다. 예를 들어 3GHz가 정규 클럭인 인텔 i시리즈 CPU를 100MHz미만의 저클럭으로 세팅해 돌리는 것은 불가능하다.[5] 칩이 작동하지도 않는다.

전력 제한 체계가 잘 잡혀있는 경우 명목상으론 1W 제한도 가능하긴 하다.라이젠의 경우[6]. 그래도 손상이나 안정성 문제가 없다 뿐이지 지나치게 느려지기 때문에 (제품 세그먼트의 스윗 스팟을 한참 벗어났기 때문에 비슷한 전력 소모의 스마트폰 CPU보다도 훨씬 더 느려진다) 의미는 없다.[7]

사실 엔드유저가 할 수 있는 수준의 언더클럭으로 (시스템 불안정이 아니라) 하드웨어 파손은 애초에 불가능한 일이며, 언더볼팅으로 뭘 태워먹었다느니 하는 얘기는 모두 온갖 설정을 다 건드리다 자신도 모르게 세팅을 말아먹어서 생기는 사례 뿐이다.# 안전빵으로 IA VR voltage limit를 1500으로 설정해 방지.

3. 언더볼팅[편집]

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일명 전압 다이어트. 클럭을 적극적으로 낮춰서 최대한 저소음 및 배터리 시간을 극한으로 늘리는 방법을 추구하는 것이 언더클럭이라면, 언더볼팅은 최대한 전압을 낮추되 그 낮춘 전압에 비해서는 최대한 높은 클럭을 달성하여 성능효율성을 늘리는 방향이다. 이 때문에 기본 클럭 이상을 유지하는 설정만 언더볼팅 취급하는 주장도 있으나 오버 수율과도 비교하기 힘들 정도로 마이너한 주장일 뿐이다.[8]

노트북의 경우는 노트북 쿨러의 한계로 인해 발열량 조절이 잘 되지 않는 경우가 많아서 발열량 감소 목적의 언더볼팅이 유명하며, 데스크톱도 주요 회사 CPU/GPU들이 최근 세대일수록 팩토리 오버클럭 최대로 땡긴 차력쇼가 기본 설정이라는 말이 나올 정도로 전력 소모나 온도 문제가 계속 심해지고 있어 언더볼팅이 점점 더 유명해지고 있다. AMD는 향후 고밀도 Ryzen 칩과 함께 CPU 온도가 계속 상승할 것이라고 믿습니다.

온도와 전압이 낮아지는 만큼 칩에 가해지는 부하도 줄어드니 수명도 미세하게 늘어난다. 또한 칩셋이 발열로 인해 스로틀링되는 상황에서는 온도를 낮추면 실 구동 평균 클럭이 올라가니 절대 성능도 향상된다. 그렇지 않더라도 AMD Precision Boost 2(#1,#2)나 지포스/라데온 GPU처럼 부스트 클럭이 유동적인 특성을 가진 제품은 언더볼팅으로 실 평균 부스트 클럭을 올릴 수 있기에 절대 성능도 향상시키는 설정 역시 가능하다. 다만 제품군, 개별 제품 편차 및 구체적인 언더볼팅 설정을 어떻게 잡느냐에 따라서는 전력 소모와 온도가 올라가면서 성능이 오르는 경우도 있는 점을 주의.

물론 장점만 있는것은 당연히 아니고, 낮춘 전압에 비해서는 높은 클럭일 시도하는 언더볼팅 특성상 더 높은 에러 확률을 가지게 돼 블루스크린등 소프트웨어 적인 결함을 유발할 수 있어 결국 오버클럭과 똑같은 지루한 안정화 과정을 거쳐야 한다. 오버클럭과는 달리 전압을 적게 주는것이기에 수명 감소나 칩 사망 걱정은 없다는 차이점은 존재.

간혹 '과전류가 흘러서 회로가 손상된다', '역에이징이 된다', '사실상 역오버다' 등등 언더볼팅의 위험성에 대해 성토하는 사람들이 있지만 전혀 근거가 없는 루머일 뿐이다. 과전류 타령은 옴의 법칙만 알아도 유사과학인걸 알 수 있고 역에이징은 전자공학에 대한 이해가 얕는 하드웨어 커뮤니티에서 어거지로 붙인 이름일뿐 그냥 오래써서 부품[9]의 열화가 왔을뿐이며, 오버클럭으로 인한 회로 손상은 공식 전압보다 더 높은 전압을 인가해서 발생하는 현상이다. 즉 상기한 내용들은 언더볼팅이 아니라 오버클럭을 했을 때의 부작용을 괜히 언더볼팅까지 데려온 억지이다.

3.1. 데스크탑 프로세서의 경우[편집]

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라이젠의 경우 Precision Boost Overdrive라는 적응형 자동 오버클럭 기능과 관련하여, 기본 쿨러를 사용할 경우 발열과 전력소모를 제한하기 위해 언더볼팅을 하는 경우가 많았다. 여기에 더해 인텔 13세대 CPU의 발매와 더불어 인텔 사용자들에게서도 언더볼팅에 대한 관심도가 크게 올라갔는데, 프로세서의 성능은 크게 향상되었지만 그에 비례하여 전력 소모량과 발열이 크게 증가[10]하여 이를 해소하기 위한 수단으로 널리 알려진 것이다. 특히, 라이젠과의 경쟁에서 높은 카탈로그 성능을 확보하기 위해서인지 인텔이 기본설정한 전압이 지나치게 높은 탓에, 언더볼팅으로 전압을 낮출 경우 전력소모량이 눈에 띄게 줄어들면서 사용성능에는 큰 차이가 없거나, 오히려 발열량이 줄어들어 써멀 쓰로틀링이 걸리지 않아 사용성능이 더욱 높아진다.

이러한 장점에도 불구하고, 전압을 낮추는 언더볼팅은 디지털 신호의 0과 1을 구분하는 문턱값(Threshold voltage)에 더 가까이 접근하기 때문에 전기적 노이즈에 취약해진다. 일반적으로 5V TTL 소자는 문턱값이 2.5V ~ 2.7V이기 때문에 3V 이하에서는 정상 작동을 보장하지 않는다. 또한, 본인이 사용하는 프로세서의 수율에 따라 언더볼팅 허용값이 달라질 수 있으므로, 주의깊은 자료조사와 시행착오를 통해 이를 확인하고 그 전압 위에서 조절해야 할 것이다. 사용 중 강제 종료 후 재부팅되는 경우라면 바이오스에서 언더볼팅 설정을 다시 풀어주면 되겠지만, 부팅 자체가 불가능한 경우에는 BIOS를 초기화해야 하는 성가신 경우가 발생할 수도 있다.

반면, 위에서 서술한 CPU와 달리 GPU에서는 언더볼팅이 꽤 오래 전부터 유용하게 사용되었다. GPU는 그 특성상 CPU보다 부하 및 전압 변동폭이 크기 때문에, 별도의 사용자 설정 없이도 기본적으로 전압을 매우 유동적으로 관리하며, MSI Afterburner 등 그래픽카드 제조사에서 직접 제공한 맞춤형 전압설정 프로그램도 있다. CPU의 전압 조절처럼 BIOS 등으로 하드웨어 설정을 건드릴 필요도 없이 운영체제 동작 중에 실시간으로 조정이 가능하다. 심지어 수천 개 이상의 코어를 집적하여 제조하는 GPU의 특성상 제품별로 수율 차이가 크기 때문에, 제조사 기본 설정에 비해 언더볼팅을 하고도 오버클럭이 가능한 경우도 있다. 물론, 윗 문단에서 말했듯이 이는 본인이 사용하는 GPU의 수율과 성능에 따라 다르므로 주의깊게 확인하는 것이 필요하다.

CPU의 경우, 윈도우 운영체제의 전원 설정 중 고급 설정에서 최대 프로세서 상태 %값을 내리는 것으로 조절 가능하다. 물론 실제 절전효과를 제대로 보려면 CPU 하드웨어 자체가 아이들시 클럭과 전압을 내리는 DVFS 기능을 지원해야 된다(인텔 (인핸스드) 스피드 스텝, AMD 파워나우나 Cool'n'Quiet 등). 인텔 프로세서의 경우 ThrottleStop과 등의 유틸리티를 사용하는 것도 가능하다. 중급형 메인보드 이상의 경우 BIOS 단계에서 CPU에 인가하는 전원을 조절할 수 있다. MSI 등 일부 제조사의 메인보드에서는 사용자가 수동으로 전원값을 조절할 필요 없이 여러 단계의 프리셋을 제공하기도 한다. 상기한 인텔 13세대 프로세서의 경우, 마치 GPU처럼 언더볼팅과 오버클럭을 동시에 적용하여 더욱 큰 성능향상을 얻는 경우도 보고되었다.

3.2. 저전력(모바일/랩탑) 프로세서의 경우[편집]

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인텔 8세대 노트북용 CPU와 라데온 RX500 계열과 베가 시리즈는 워낙 전력소모가 심하기에 언더볼팅이 준필수로 취급받는다, 언더볼팅시 성능이 5~10퍼정도 증가하는건 당연하고, 발열도 7~8도가량 줄어든다. 인텔 9세대에서 발열이 더욱 높아짐에 따라, 바이오스에 언더볼팅 기능을 탑재한 게이밍 노트북이 나오기도 했다. 게이밍 노트북일 경우는 아무래도 데스크탑보다 쿨링성능이 떨어지다보니 시피유 뿐만 아니라 노트북용 엔비디아 그래픽카드까지 언더볼팅을 해주기도 한다.

최근 게이밍 노트북들은 이미 언더볼팅이 되어있는 상태로 나오는 제품들도 많다. 에이서의 헬리오스 300나 Razer Blade가 대표적인 예시. 그러나 SGX에 관한 MS의 업데이트로 인하여 막혔다... 자세한 것은 https://plundervolt.com/ 및 CPU 게이트 참고.

4. 유틸리티[편집]

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• 인텔 전용
  • Intel XTU(Intel Extreme Tuning Utility)
  • ThrottleStop
• 라이젠 전용
  • 라이젠 마스터 - 자동 커브옵티마이저를 통하여 최상의 성능을 낼수있다.
  • 라이젠 컨트롤러
  • ZenStates-Linux[11]
    리눅스 전용이다.
• 양사 지원
  • Universal x86 Tuning Utility - 비공식 유틸리티중 완성도가 가장 높다.

5. 터보 버튼[편집]

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80386, 80486, 일부 초기 펜티엄 시절까지 본체에 달려있던 터보 버튼은 사실 언더클럭(을 해제하는) 버튼이다. 터보를 켜놓은 게 원래 그 CPU의 속도이며 터보를 끄면 오히려 원래 속도보다 느리게 동작한다는 것. 이 때문에 80386~초기 펜티엄 컴퓨터들은 터보가 켜져 있는 것이 기본값이었다. 그럼 왜 이런 버튼이 달려있었던고 하니,


예시 영상은 게임보이 컬러. 언더클럭을 해제하는 게 아니라 오버클럭으로 속도를 올린 것이지만 결과 자체는 후술할 내용과 동일하다.

원래 IBM PC XT는 4.77MHz 클럭을 사용했었고, 이시절만 해도 한 PC가 여러 속도를 가지는 것이 드물어서 상당수 게임들이 이 속도에 맞춰서 제작되었다.[12] 그런데 오리지널 IBM이 아닌 호환기종들은 더 높은 클럭의 CPU를 장착(주로 10MHz)하여 차별화를 했는데 문제는 이 높은 속도에 게임들도 속도가 빨라져 정상적인 플레이가 불가능했던 것. 상단 영상에서 오버클럭을 가동했을 때처럼 게임이 상시 배속 상태로 구동된다고 보면 된다.[13] 그래서 PC제조사들은 두 가지 속도를 선택할 수 있는 버튼을 만들었고 여기에 오리지널 IBM PC보다 더 빠르다는 마케팅적 요소까지 더해서 이 버튼을 TURBO 버튼이라고 했다.

그래서 저 시절 PC조립 할 때에는 지금보다 케이스 전면 버튼 및 LED 커넥터 연결이 지금보다 더 빡쎘다. 지금은 전원, 리셋 버튼과 전원, HDD LED만 연결하면 되었는데 저 때에는 터보 버튼, 터보 LED에 심지어 속도 표시 7-seg LED까지 맞춰줘야 했다. 게다가 커넥터 위치도 표준화되어있지 않았고 보드에 표기도 안되어 있어 사용설명서가 없으면 연결도 힘들었다. 인터넷도 거의 없던 시절이라서 설명서를 온라인으로 구할수도 없었고. 그시절에 비해 지금은 PC조립 엄청나게 쉬워진거다.

이 터보 버튼은 IBM PC AT (80286)까지도 의미가 있었다. AT 또한 오리지널과 호환기의 속도가 달랐으니. 그러나 386 이상부터는 IBM이 컴팩 등 호환기에 주도권을 내 줬고 PC가 여러 속도를 가지는 것이 일반화되어 소프트웨어 또한 이를 감안하고 만들기 때문에 저런 버튼이 전혀 필요 없었으나 소수의 XT시절 구형 소프트웨어에 대한 호환 및 케이스 제조사들의 귀차니즘 등 여러 가지 이유로 60MHz 펜티엄을 33/60으로 표시하는 등 초기 펜티엄 시절까지 지속되었다. 물론 이 시기보다 앞서서 진작에 상당수 케이스 속도표시 LED의 숫자는 원가절감 등등의 이유로 메인보드 실제 클럭 속도가 아닌 버튼상태에 따라가는 내장표시값으로 제조시에 박혀 나왔고, 버튼을 눌러도 실제 컴퓨터에는 영향이 없는 등 사실상의 기믹에 불과해졌다.

6. 기타[편집]

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극소수지만 극한으로 언더클럭한 뒤 고사양에서나 돌릴 법한 프로그램을 돌리는 이들도 있다. 독일의 한 용자는 Windows XP를 7MHz(...)에서 구동하는 실험을 했다.[14] # 하지만 언더클럭 역시 설정에 따라 오버클럭과 마찬가지로 하드웨어에 부담을 줄 수도 있으므로 주의를 요구한다. 심지어는 0.99MHz[15]에서 Windows XP를 구동하는 것을 성공한 용자도 있다![16] 다만 주작이라는 의견도 있다.[17]