[어드밴텍] 산업용 컴퓨터의 소음 감소 방법

[월간 무인화기술 5월호]

 

산업용 컴퓨터의 소음 감소 방법

 

최수혁 차장 어드밴텍 PSM (Tony.an@advatech.co.kr)

여러 제품들에서 최종 소비자의 요구 사항을 살펴보면 대부분 비슷한 변화 과정을 거친다는 것을 확인할 수 있다. 처음 소비자들은 제품을 소유하는 것에만 관심을 갖는다. 그리고 그 후에 소비자들은 제품의 성능을 요구하게 되고, 기술 수준이 특정 수준에 도달하게 되면 소비자들은 제품의 세부사항에 주목하게 된다. IT 산업이 바로 그러한 예라고 할 수 있다. 처음에 PC가 등장했을 때는 판촉이 무엇보다도 중요한 목표가 되었다. 그러나 PC가 대중적으로 보급되고 난 이후 PC의 사양과 성능이 개선되기 시작했다. 현재 PC 기술이 성숙한 단계에 이르렀기 때문에, 이에 맞춰 판매업자들은 낮은 소비 전력, 소음 감소 등 기타 세부적인 측면에 집중하고 있다. 특히, 소음 감소는 최근 IT 제품 설계에 있어 중점적인 사항이 되고 있다. 이에 따라 산업용 컴퓨터 역시 동일한 트렌드를 따라 개발되고 있는 것이다.

 

보다 다양해지는 산업용 컴퓨터 어플리케이션

 

>> 어드밴텍은 소음 없는 산업용 컴퓨터를 도입
과거에는 산업용 컴퓨터가 제조 현장이나 실외, 소음에 상당히 관용적인 환경 등에 사용되었지만, 오늘날 산업용 컴퓨터의 어플리케이션이 점점 더 다양해짐에 따라, 산업용 컴퓨터들은 네트워크 커뮤니케이션이나 POS와 같이 실내나 소음에 보다 민감한 환경에서도 사용되고 있다. 이러한 흐름에 따라 어드밴텍은 최근 조용한 (소음이 적은) 산업용 컴퓨터를 도입하고 있다.

인간의 지각력은 주관적인 것이며, 소음이 각 개인에 미치는 영향 또한 주관적이다. 각자가 갖고 있는 소음에 대한 민감성과 인내심도 전혀 다르다. 일반적으로 초기에 음향 수준을 측정하는 방법은 소리 압력 수준에 기초한 것으로, 이의 테스트 요건은 ISO 7779에서 규정되어 있다. 최근 음향 수준은 제품 품질에 있어 중요한 요인 중의 하나로 부각되고 있음에도 음향 수준을 소리압력 수준만으로 측정해왔던 주된 이유는 측정 장비가 비교적 간단했기 때문이다. 따라서 측정 장비를 개발하는 것이 현재와 비해 발전되지 않았을 때에는, 음향 수준을 소리 압력에 기초해 측정하는 것이 일반적이었다.    

과거 10-20년 동안, 컴퓨터 제조업체들은 ‘ISO3744' 에 근거한 사운드 파워 수준(sound power level)을 음향 수준을 측정하는데 사용해왔다. 이 측정은 종합적인 파워가 ‘이 정도 한도는 환경의 변화에 덜 민감한 한도이다' 라는 기준에 근거하고 있다.  이와 같은 이유로, 측정 방법 중에서 음향 파워 수준을 측정하는 방법은 점차 소리 압력 수준을 측정하는 방법을 대신하였다. 

최근 인체공학적인 측면을 강조하는 추세에 따라 음향과 소음 간의 구분을 점점 더 강조하게 되었다. 흔히 소리 압력 수준이나 음향 파워 수준의 측정치가 정상 범위인 경우라도 음향이 거칠고 불쾌하게 들릴 수 있는데, 이는 위에서 언급한 인간 감각이 지닌 주관적 특성에 기인하는 것이라 할 수 있다. 이러한 사람들의 주관적이고 감각적인 요소들은 위에서 제시한 두 가지 측정 방법에서 중요한 부분은 아니었다. 그러나 음향 품질에 있어서도 이러한 개개인의 주관적 요구에 맞춰 그 기준이 변동되었다. 음향 품질기준은 순수한 음색의 충격을 줄이는 동시에 사용자의 요구를 보다 더 충족시키기 위하여 여러 가지 다양한 주파수 별로 소음기준을 규정하게 되었다.

 

ISO 7779 표준의 사용
ISO 7779는 현재 어드밴텍이 사용하고 있는 테스트 규격이다. 산업용 컴퓨터 제품은 대부분 서버실과 외부에 위치해 있기 때문에, 사용자는 소음의 영향을 보다 덜 받게 되며, 어느 정도의 소음은 무시할 수 있다. ISO 7779 표준은 보다 단순해 고객들이 쉽게 이해하고 허용할 수 있다.

ISO 7779 표준은 운영자 조건과 주변 사람이라는 2가지 사용자 조건 하에서 측정된다.
전자의 조건은 장비를 운영하는 과정에서 운영자가 느끼는 음향 수준을 의미한다. 후자의 조건은 디지털 사이니지를 보는 행인처럼 주변에 있는 사람이 들을 수 있는 소음 수준이다. 어드밴텍의 제품은 주로 주변 사람의 관점에서 설계되어 있으며, 시스템 아이들(idle) 소음 수준은 35dBA로 제어되고 있다[1].

허용 가능한 소음 수준은 시간과 장소에 따라 변경될 수 있는데, 일반적으로 야간 침실 기준 30~35dBA이고, 낮 시간 사무실 기준은 약 40dBA(소음이 좀 더 심한 사무실의 경우 45~55dBA로 측정됨), 실외는 60dBA 혹은 그 위를 웃돈다. 실제로 시스템을 실외에서 사용하는 경우에 시스템이 35dBA의 소음을 방출한다면 이는 훨씬 더 작게 느껴지고 무시할 만한 수준의 소음이라 할 수 있다. 

통상적으로 저전압 CPU가 내장된 시스템에서 팬이 발생시키는 소음은 약 40~45dBA 정도이며, 고성능 CPU 데스크탑이나 서버 팬에서는 55dBA 이상의 소음이 발생되어 전체적인 시스템 소음 수준은 최대 70~80dBA까지 올라갈 수 있다. 내장형 시스템이든 데스크탑 컴퓨터이든, 팬은 시스템 소음 발생의 대부분을 차지한다. 따라서 소음을 줄이기 위해서는 팬 제어에서부터 시작해야 한다.

 

 

 

스마트 팬

>> 냉방과 소음 문제를 다룸과 동시에 회전 속도를 조정
IT 시스템에서 팬의 주요 기능은 열 발산을 위해 충분한 공기 흐름을 제공하는 것이다. 일반 시스템의 조작 모드는 상당히 단순하다. 일단 시스템에 전원이 들어오면, 팬은 전원이 끊기기 전까지 고정된 속도로 작동한다. 이러한 방법은 소음을 생성할 뿐 아니라 팬의 전반적인 수명도 단축시킨다. 이런 문제 해결을 위해 어드밴텍은 스마트 팬을 사용해 속도를 조절할 수 있는 소음 없는 산업용 컴퓨터를 출시하였다. 이러한 방법은 팬으로 인한 소음을 줄일 수 있으며, 시스템 냉방 요건을 충복시킬 수 있다.

ISO 7779는 주변기기 및 조작 조건을 명시하고 있다. 일반적으로 시스템 허용 온도는 15°C ~ 30°C 사이이다. 하지만 이 온도 범위가 너무 광범위하기 때문에, ISO 7779에서는 23°C ± 2°C의 조건을 제시하고 있다. 이 온도 조건에서, 설계자들은 냉방과 소음 간의 균형을 이루기 위해 두 가지 접근방법을 사용할 수 있다. 첫 번째는, 소음 수준을 35 dBA에 설정하고, 팬 속도를 목표 값에 맞게 조정하는 방식이다. 두 번째는, 주요 구성성분과 시스템 온도 간의 관계를 찾는 것이다. 예를 들어, 주변 온도가 23°C일 때의 CPU 온도는 몇 도인가? 이 때 우선 허용 가능한 CPU 최대 온도를 정해야 하며, 그런 다음 팬 속도와 소음 값을 정해야 한다. 현재 주류 비 Atom 계열 CPU의 운영 온도 사양은 중 하중 상태에서 작용할 때 100°C이다. 이러한 조건 하에서는 CPU 온도가 100°C를 넘지 않도록 하기 위해 팬이 최대 속도로 작동해야 시스템이 안정적인 상태를 유지하고, 아이들 소음 수준을 35 dBA에 유지할 수 있다[1].

팬으로 CPU 온도를 제어할 수 있는 방법으로는 두 가지가 있다. 한 가지 방법은 0에서 100°C 사이의 서로 다른 온도 범위에 상응하는 팬 속도를 설정하는 것이다. 예를 들어, CPU 온도가 60°C라면, 팬은 3000rpm의 속도로 회전해야 한다. 온도가 70°C로 증가하면, 팬 회전속도는 최대 5,000rpm까지 증가해야 한다. 다른 방법은 70°C와 같이 고정된 값에 CPU 온도를 맞추는 것이다. 만일 CPU 온도가 기준 범위 안에 있다면 (예를 들면 67 ~ 73°C), 팬 속도가 변해서는 안 된다. 하지만 CPU 온도가 이 기준 범위 보다 낮으면 (예를 들면 67°C), 팬 속도를 감소시켜야 한다. 한편, CPU 온도가 기준 범위 보다 높으면 (예를 들어, 73°C), 팬 속도를 증가시켜야 한다. 

팬 속도는 동일한 전압에 의해 제어된다. 어드밴텍은 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티 사이클(duty cycle)을 조정해서 동일 전압을 제어하는 방식을 사용하고 있다. 평균 팬 입력 전압은 12V이다. 스마트 팬은 온도를 측정해서 동일 전압을 제어하기 위해 듀티 사이클을 조정하고, 그런 다음 팬의 작동 속도를 조절하게 된다.  

위의 두 방법 모두 장단점을 지니고 있다. 첫 번째 방법은 특정 온도에 도달하면 팬이 작동하는 회전 속도를 규정하는 방식으로, 이때의 장점은 시스템의 열에 대한 반응이 빠르다는 것이지만, dBA 값이 더 크게 변화할 수 있다. 두 번째 방식은 CPU 온도에 기초해 팬 속도를 조정하는 방식이다. 팬은 천천히 속도를 올리거나 천천히 속도를 늦추게 된다. 이 접근 방식에서는 dBA 값의 변화가 더 적지만, 첫 번째 방식에 비해 열 반응이 느리다는 단점이 있다. 열에 관한 문제는 최근 CPU 제조업체들의 전원 및 냉방 기술이 발전함에 따라 점진적으로 개선되고 있어, 제조사들이 소음 감소에 더 집중할 수 있게 되었다. 현재 어드밴텍은 제품 어플리케이션 요건에 따라 두 방법 모두를 적용하고 있다.

 

어드밴텍, 소음 감소 기술 실현 방식 주도
온도와 소음을 제어하기 위해 팬을 사용하는 것은 산업 내 주류를 이루고 있는 기술이다. 하지만 주의 깊게 살펴보면 여러 산업용 컴퓨터가 단순히 제품 어플리케이션과 시스템 디자인과 관련된 문제들 때문에 이 기술을 사용하지 않고 있다는 것을 알 수 있다.  

초기 산업용 컴퓨터는 산업용 특징을 갖춘 회로기판으로 설계되어 있지 않고 최대 수요에 기초해 설계되어 있었다. 당시, 산업용 컴퓨터는 야외나 제조 공정에서 사용되기 때문에 소음이 큰 문제가 되지 않았다. 따라서, 산업용 컴퓨터들은 소음 감소를 염두에 두고 설계되지 않았다.

이후, 산업용 컴퓨터 어플리케이션이 급속히 증가하였고, 산업용 특징을 갖춘 산업용 컴퓨터가 시장에 도입되었다. 비록 게임 머신, 생산 라인 장비, 디지털 사이니지 등과 같은 많은 모델들이 소음 감소를 필요로 하지 않을 수 있지만, 네트워크 커뮤니케이션, 의료 시스템 혹은 사무실에서 사용하는 시스템(측정 도구나 비행 안전 콘솔 등)과 같은 특정 어플리케이션들은 소음 감소 기술이 필요하다. 제품 레이아웃의 관점에서, 어드밴텍의 종합적인 라인의 제품이 시장을 주도하고 있다. 어드밴텍 사용자들은 여러 분야의 산업체에 분포되어 있으며, 비록 소음문제가 어드밴텍 모든 고객들에게 문제가 되는 것은 아니지만, 어드밴텍은 최고 수준의 품질로 고객 니즈를 충족시키기 위해 연구 개발에 지속적으로 투자하고 있다.

기술적인 측면에 있어, 왜 더 많은 산업용 컴퓨터가 소음 감소 기술을 사용하지 않는 것일까? 산업용 컴퓨터와 일반적인 IT 제품의 설계에 있어 중점을 두고 있는 부분이 서로 다르기 때문이다. 보통 상업용 IT 제품은 성능과 안정성을 요구하지만, 그 요구 수준이 산업용 컴퓨터만큼 높지는 않다. 산업용 컴퓨터는 사업 운영의 근간이라 할 수 있으며, 시스템 성능이 높다면 다른 요구사항은 그리 중요하지 않다. 하지만 산업용 기기의 특징 상 시스템이 고장을 일으키면 그 손실은 엄청나기 때문에, 안정성이 사업의 핵심이라 할 수 있다.

시스템이 안정적이기 위해서는, 우선 열 발산 문제를 해결해야 하며, 냉각 팬이 그 1차적인 해결책이라 할 수 있다. 경험을 통해 보았을 때, 기계적 팬은 컴퓨터에서 가장 먼저 고장 나는 부분으로서, 이는 시스템 과열을 가져오게 된다. 팬 고장을 피하는 것이 팬리스 컴퓨터를 디자인하는 주된 이유라 할 수 있다. 하지만, 특정 어플리케이션의 경우, 시스템 요구 사양이 너무 많아 팬이 없는 설계로는 시스템의 냉방 요건을 충족시키지 못하는 때가 있다. 이 경우 팬이 과열 문제를 해결해줄 수는 있지만, 소음 문제가 남게 된다.

소음은 일반적으로 공기의 유입 혹은 구조적 문제로 인해 발생한다. 만일 시스템 소음의 주요 출처가 팬이라면, 이는 대기를 통해서 발생하는 것이다. 만일 부품이 느슨하게 조립되어 작동 시 소음을 유발한다면, 이는 구조적 문제에 의한 소음 발생이라 할 수 있다. 각각의 소음과 관련되어 있는 문제는 서로 다르고, 따라서 그 해결책도 다르다. 이 소음 문제를 해결하기 위해, 우리는 소음의 출처를 찾아야 하고, 그 전달 경로를 찾아야 한다. 만일 사용자가 비정상적인 소음을 듣는다면, 이를 시스템 운영자에게 알려 문제를 즉시 해결할 수 있게 해야 한다.  

어드밴텍의 저 소음 산업용 컴퓨터가 추구하는 목표는 제품 소음을 인간이 허용 가능한 수준으로 유지하는 것이다. 일부 시스템은 35dBA 이내로 소음 수준을 유지할 수 있다. 어드밴텍은 2012년부터 점차적으로 소음 감소를 모든 산업용 시스템에 적용해서 클라이언트에게 모든 종류의 무소음 솔루션을 제공하고자 한다. 

어드밴텍의 R&D 프로젝트는 수 년 간 산업용 컴퓨터 산업을 선도해 왔다. 소음 감소 디자인의 경우, 이 분야의 전문성을 갖춘 개발팀이 어드밴텍의 기술(안정성과 융통성을 갖춘 고객 맞춤형 설계)을 통합해서 고성능의 안정적이고 소음이 없는 시스템을 개발했다. 뿐만 아니라 무소음은 산업용 컴퓨터의 추가적인 장점으로, 무 소음으로 인해 시스템 성능과 안정성에 영향을 미치지 않아야 하며, 그러한 시스템을 완성 시키는 것은 전체적인 시스템 설계 기술에 달려 있다. 저소음 산업용 컴퓨터를 도입함으로써 산업용 컴퓨터 기술에 있어 어드밴텍이 지니고 있는 강점이 부각되고 있다. 뿐만 아니라 소음이 없는 산업용 컴퓨터의 도입은 고객들의 수요와 제품 가치를 높임으로써 어드밴텍의 제품 품질을 더 높여 어드밴텍과 어드밴텍의 최종 사용자 모두에게 윈-윈 솔루션을 제공해줄 수 있을 것이다.

어드밴텍은 1983년에 설립된 회사로서, 고객 비지니스에 도움이 되는 안정적인 산업용 전산 솔루션을 제공하고 있다. 어드밴텍은 솔루션 파트너와의 긴밀한 협조를 통해 다양한 산업 분야에 다양한 어플리케이션솔루션을 제공하고 있다. 여기에는 3가지 분야의 사업 범주에서의 제품과 솔루션이 포함된다. 임베디드 ePlatform(Embedded ePlatform), eServices 및 응용 컴퓨팅과 산업용 자동화 그룹이 그것이다. 3400명 이상의 직원들과 함께, 어드밴텍은 18개국, 39개의 주요 도시에 광범위한 지원, 판매, 마케팅 네트워크를 구축해서 신속한 서비스를 전 세계에 걸쳐 제공하고 있다. 어드밴텍은 임베디드 및 커뮤니케이션 개발자와 솔루션 제공업체의 모임인 Intel Embedded and Communications Alliance의 회원이기도 하다.