Thermal Throttling 분석 — Junction Temp·Trip Point·냉각

#한 줄 요약

“Thermal throttle = CPU 자기보호” 입니다. 정격 온도를 넘기면 frequency가 자동으로 내려갑니다.

#온도 등급

LV와 항공은 외부 환경이 영하에서 직사광선까지 넓게 변하므로, 패키지와 재료 선택이 결정적입니다.

#Thermal Sensor

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On-die diode based:
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  V_BE diff (PTAT — Proportional To Absolute Temp)
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  → ADC conversion → ° C

정확도는 ±2~5°C, 해상도는 1°C 수준입니다.

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/* STM32 internal TS */
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HAL_ADC_Start(&hadc1);
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HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
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uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
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float temp = ((float)raw * 3.3 / 4096 - V25) / AVG_SLOPE + 25;

각 chip에는 factory calibration이 들어 있고, ROM에 25°C와 85°C의 raw 값이 저장됩니다.

#Linux Thermal Framework

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# Thermal zone 목록
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ls /sys/class/thermal/
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# thermal_zone0  thermal_zone1  thermal_zone2  cooling_device0
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cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/type
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# cpu_thermal
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cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp
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# 47000  (= 47°C)
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cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/trip_point_0_temp
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# 75000  (= 75°C, hot)
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cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/trip_point_1_temp
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# 90000  (= 90°C, critical — shutdown)

#Trip Point

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75°C "hot"      → cpufreq throttle (frequency ↓)
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85°C "passive"  → fan speed ↑
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90°C "critical" → kernel panic·shutdown

각 trip point가 해당하는 cooling action을 trigger합니다.

#Cooling Device

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ls /sys/class/thermal/cooling_device*/
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# thermal-cpufreq-0  thermal-cpufreq-1  thermal-cpufreq-2
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cat .../thermal-cpufreq-0/cur_state
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# 0 (none)
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cat .../thermal-cpufreq-0/max_state
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# 8 (8 throttle level)

Step-wise throttling 방식으로, 한 단계당 200 MHz씩 감소시키는 식으로 동작합니다.

#STM32 — Junction T Monitoring

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/* CMSIS-style */
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float temp = read_internal_temp();
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if (temp > 85.0f) {
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    /* Throttle — clock 분주 ↑ */
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    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV2;   // AHB /2 → CPU 절반
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}
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if (temp > 105.0f) {
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    /* Shutdown — safe mode */
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    enter_safe_mode();
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}

자동차 ECU는 DAPA 표준에 온도 fault 발생 시 safe state로 진입한다는 동작을 명시합니다.

#big.LITTLE — Thermal Distribution

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if (temp > THRESH) {
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    /* Big core off, little만 사용 */
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    cpu_hotplug_off(BIG_CORE_4, 5, 6, 7);
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    /* → 발열 ½ */
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}

스마트폰은 game이나 burst 구간에서는 big을 쓰고, 평소에는 little만 사용합니다.

#Cooling — Passive·Active

자동차 ECU는 먼지와 물 위험 때문에 fanless로 설계하고, heatsink와 enclosure만으로 냉각을 처리합니다.

#TDP·SDP·CTDP

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TDP (Thermal Design Power) — sustained 최대 발열 (cooling 설계 기준)
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SDP (Scenario Design Power) — 일반 workload 평균
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cTDP (Configurable TDP) — OEM이 BIOS에서 조정 가능

Intel i7-12700:

• TDP 65 W (base)
• Max Turbo Power 180 W (peak, short)
• SDP ~30 W (idle + light)

#Cortex-A 모바일 — Heat Map

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Snapdragon 865:
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  Big core full load → +35°C
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  GPU full load → +25°C
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  Modem → +10°C
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→ peak 75°C, 충분히 throttle 영역

게임에서는 5분쯤 지나면 frame rate가 절반으로 떨어지는 경우가 흔하고, 게이밍 폰은 대형 vapor chamber로 이를 보완합니다.

#항공·우주 — Cooling 어려움

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지상: 공기 + 방열판 충분
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비행기: 캐빈 공기 + airflow 활용
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위성·LV: 진공 → *방열 어려움*
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  → conduction 방열 (heat pipe → 외부 panel → radiation)
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  → 발열 자체 minimize → CPU 50-100 MHz (KSLV-II 누리 등)

낮은 전력과 낮은 frequency를 근본 설계 원칙으로 삼습니다.

#Cold Boot — Extreme Cold

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-55°C에서 부팅:
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  Crystal oscillator drift (수 ppm)
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  Flash retention 영향 미미
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  Capacitor (전해질) — *frozen*, ESR 큼
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  DRAM refresh — 정상 작동

군용과 우주 영역에서는 cold start test가 필수입니다.

#측정 — IR Camera

PCB를 적외선으로 촬영하면 다음과 같은 정보를 얻을 수 있습니다.

• Hot spot 식별 (BGA나 QFP의 중심)
• 방열판 효과 확인
• 단락이나 과전류 detect

FLIR이나 Seek Thermal 같은 장비가 임베디드 개발실의 표준 도구로 쓰입니다.

#자주 하는 실수

⚠️ Benchmark 시 thermal 무시

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loop_benchmark_5_sec();  // ← 처음 1초만 peak, 후 throttle

지속 가능한 성능을 보려면 10분 이상 장시간 측정해야 합니다. CPU specs에 표기된 base clock이 보통 지속 가능 기준입니다.

⚠️ Junction T vs Case T 혼동

데이터시트의 T_J는 die 온도를 가리키고, 사용자가 외부에서 측정하는 값은 T_C입니다. 둘 사이에는 10°C 정도의 차이가 날 수 있습니다.

⚠️ Tair 가정 잘못

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/* "데이터시트가 -40~85 °C 작동" */
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/* → ambient 기준. 내부 발열 시 *junction 100°C* 도달 가능 */

thermal margin은 ambient + (P × Rja)로 계산해야 합니다.

⚠️ Throttling 무시한 RT design

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/* RT task가 1 ms 안에 끝나야 함 */
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/* throttle 시 — frequency 절반 → 2 ms → deadline miss */

Hard RT는 fixed frequency를 보장하고, 발열도 예산 안에서 관리해야 합니다.

#정리

• Junction T로 chip 자체를 보호하며, trip point 단계별로 throttle이 동작합니다.
• 자동차와 우주 영역은 온도 등급 specification이 매우 엄격합니다.
• Cooling 방식에는 passive, active, throttle, migration이 있습니다.
• TDP와 SDP는 각각 평균과 peak 발열을 가리킵니다.
• IR camera로 PCB의 hot spot을 식별할 수 있습니다.
• 우주에서는 진공에서 방열이 어렵기 때문에 근본적으로 저전력 설계를 채택합니다.

다음 part는 Toolchain & Profiling을 다룹니다.

#관련 항목

• 3-09: Power vs Performance
• 4-01: Compiler Optimization