메인보드의 M.2 히트싱크가 SSD와 제대로 접촉하고 있습니까? 20종의 최신 Intel 및 AMD 메인보드 검증 테스트

M.2 기반 SSD는 PC 시장에 등장한 지 약 10년이 되었으며, 훨씬 더 크고 눈에 띄게 느린 3.5인치 하드 드라이브는 물론, 회전식(spinner)과 SSD를 모두 포함한 2.5인치 드라이브를 거의 대체했습니다. 그동안 우리는 새로운 플래시(flash), 컨트롤러(controller), 그리고 PCIe 세대가 출시됨에 따라 이 작은 드라이브들의 용량뿐만 아니라 속도도 증가하는 것을 목격해 왔습니다. 그리고 이러한 성능 향상과 함께 관리해야 할 열 발생량도 함께 증가했습니다. 이는 특히 최신 세대인 PCIe 5.0 기반 드라이브를 사용할 때 더욱 그러한데, 이들은 이전 세대 드라이브보다 더 뜨거워지는 경향이 있으며 서멀 스로틀링 (thermal throttling) 및 성능 저하가 발생하기 더 쉽습니다.

이러한 드라이브 중 상당수는 열 방출을 돕기 위해 이미 히트싱크 (heatsinks)를 포함하고 있습니다. 그리고 단순히 얇은 판 형태가 아니라면, 많은 제품이 서멀 스로틀링을 지연시키거나 방지할 수 있을 만큼 충분히 제 역할을 수행합니다.

하지만 모든 제품에 히트싱크가 포함되어 있는 것은 아닙니다. 만약 귀하의 작업 흐름 (workflows)이 스토리지에 의존한다면, 드라이브 과열 및 서멀 스로틀링으로 인해 장시간 전송 시 속도가 현저히 느려질 수 있습니다. 스로틀링의 정도는 (어떤 드라이브는 아예 발생하지 않기도 합니다) 상황에 따라 다릅니다. 드라이브와 컨트롤러, 작업 부하 (workload), 그리고 케이스 내부의 공기 흐름 (airflow)에 이르기까지, 이러한 요소들이 서멀 스로틀링의 발생 여부와 그 심각성에 영향을 미칩니다. 시간이 곧 돈이라면, 이는 분명히 좋지 않은 일입니다. 필요한 파일을 읽거나 쓰는 데 시간이 오래 걸릴수록, 작업을 마치고 더 즐거운 일을 하러 가거나 다음 작업으로 넘어가는 데 더 많은 시간이 소요되기 때문입니다.

Testing motherboard m.2 heatsinks

(이미지 출처: Tom's Hardware)

여러분은 이렇게 생각할지도 모릅니다. '내 메인보드에는 M.2 드라이브용 히트싱크(Heatsink)가 있으니 당연히 괜찮겠지.' 만약 여러분이 저가형이나 비즈니스용 보드를 사용하고 있지 않다면, 그 생각이 맞을 것입니다. 이러한 히트싱크들은 (플레이트 스타일부터 거대한 형태까지) 다양한 모양과 크기로 제공되며, 냉각 성능 또한 제각각입니다. 일반적으로 쿨러의 질량이 더 크고 표면적이 넓을수록 냉각 성능이 더 좋아집니다. 써멀 패드(Thermal pad)의 효율성, 케이스 내부의 공기 흐름(Airflow), 그리고 당연히 물리적 접촉(Physical contact)을 포함한 다른 변수들도 있지만, 거시적인 관점에서는 이 원칙이 적용됩니다.

하지만 우리는 이 메인보드 히트싱크들이 실제로 열을 빠르게 방출할 수 있을 만큼 제대로 접촉하고 있는지 궁금했습니다. 지난 몇 년간 포럼이나 Reddit에서 무작위로 보이는 불만 사항들을 접한 후, 우리는 20개의 서로 다른 메인보드에서 최상단 PCIe 5.0 M.2 소켓의 기본 M.2 히트싱크를 테스트하여, 실제로 포함된 히트싱크와 제대로 접촉하는 제품이 얼마나 되는지 확인해 보았습니다. 그리고 솔직히 말씀드리면, 우리가 발견한 결과에 조금 놀랐습니다.

써멀 스로틀링(Thermal throttling)의 양상과 M.2 접촉의 어려움

그렇다면 M.2 드라이브에서 발생하는 써멀 스로틀링(Thermal throttling)은 어떤 모습일까요? 이는 데이터 전송 속도가 갑작스럽고 일반적으로 심각하게 떨어지는 현상으로, 매우 빠른 속도가 드라이브의 정격 성능의 아주 일부로 급락하는 가파른 절벽 형태를 보이거나, 속도가 떨어졌다가 임계 온도 임계값 아래로 식으면(일반적으로 듀티 사이클(Duty cycle)을 줄이고 I/O 스트림과 데이터 대역폭을 제한함으로써) 다시 튀어 오르는 톱니바퀴 패턴으로 나타납니다. 일부 드라이브는 대역폭을 제한하고 써멀 스로틀링을 줄이기 위해 PCIe 4.0으로 속도를 낮추기도 합니다.

아래 차트(동일한 드라이브의 스로틀링(throttled) 발생 시와 발생하지 않은 시의 결과 포함)에서 볼 수 있듯이, 이번 테스트에 사용된 히트싱크가 없는 Transcend 260S 2TB PCIe 5.0 SSD는 50초가 지난 직후 스로틀링이 발생하여, 속도가 4,000 MB/s 직전에서 약 1,700 MB/s로 떨어졌습니다. 그 후 전송 시작 약 90초 시점에 임계 온도 임계값(일반적으로 70도에서 85도 사이) 아래로 떨어지면서 잠시 회복되었습니다. 몇 초 후 다시 속도가 떨어졌고, 몇 분 후에는 다시 한번 속도가 떨어졌는데, 이때는 성능이 약 600 MB/s까지 더욱 느려졌습니다. 이는 정상 상태(steady-state) 성능보다 6배 이상 느린 수치이며, PCIe 5.0보다는 SATA 기반 SSD에 훨씬 가까운 속도입니다.

그렇긴 하지만, 이처럼 빠른 드라이브에서 10분 이상 전송하려면 상당히 큰 파일이나 파일 세트가 필요하므로, 일반적인 워크플로(workflow) 중에 이러한 현상이 너무 자주 발생할 것이라고 예상하지는 않습니다. 또한, 성능 손실의 정도는 드라이브와 조건에 따라 다릅니다. 하지만 이를 통해 여러분은 얼마나 많은 성능을 잃을 수 있는지에 대해 아주 명확한 개념을 잡을 수 있습니다.

Testing motherboard m.2 heatsinks

Tom's Hardware

Testing motherboard m.2 heatsinks

Tom's Hardware

Testing motherboard m.2 heatsinks

Tom's Hardware

엔지니어링 팀 입장에서 껌 한 통 크기만한 하드웨어를 냉각하기 위한 히트싱크를 설계하는 것이 쉬울 것이라고 생각할 수도 있습니다. 하지만 이는 여러분이 상상하는 것만큼 간단한 문제가 아닙니다. 그 이유는 M.2 표준(PCI-SIG에서 관리)이 단면(single-sided) 및 양면(double-sided) 드라이브에 대한 최대 Z-높이(Z-heights)만을 규정하고 있어, 예를 들어 써멀 패드(thermal pad)의 두께를 얼마로 할지는 보드 파트너들이 결정해야 하기 때문입니다. 써멀 패드는 어느 정도 압착되어야 더 잘 작동하지만, 과도한 압착은 효율을 떨어뜨리므로 적절한 '골디락스 존(Goldilocks zone, 딱 적당한 범위)'이 존재합니다. 하지만 드라이브마다 높이가 다르기 때문에 이를 일관되게 맞추기는 어렵습니다.

아래는 다양한 M.2 SSD 폼 팩터(form factor) 표준을 보여주는 유용한 표입니다. 단면 장치는 표에서

<table><tbody><tr><td class="firstcol ">라벨 (Label)</td><td>컴포넌트 최대 높이 (Component Max Height) (mm)</td><td>컴포넌트 최대 높이 (Component Max Height) (mm)</td></tr><tr><td class="firstcol empty"></td><td>상단 최대 (Top Max.)</td><td>하단 최대 (Bottom Max.)</td></tr><tr><td class="firstcol ">S1</td><td>1.2</td><td>0</td></tr><tr><td class="firstcol ">S2</td><td>1.35</td><td>0</td></tr><tr><td class="firstcol ">S3</td><td>1.5</td><td>0</td></tr><tr><td class="firstcol ">S4</td><td>1.75</td><td>0</td></tr><tr><td class="firstcol ">S5</td><td>2.0</td><td>0</td></tr><tr><td class="firstcol ">D1</td><td>1.2</td><td>1.35</td></tr><tr><td class="firstcol ">D2</td><td>1.35</td><td>1.35</td></tr><tr><td class="firstcol ">D3</td><td>1.5</td><td>1.35</td></tr><tr><td class="firstcol ">D4</td><td>1.5</td><td>0.7</td></tr><tr><td class="firstcol ">D5</td><td>1.5</td><td>1.5</td></tr></tbody></table> 단면 장치(single-sided drive)는 PCB의 한쪽 면에만 컴포넌트(NAND 칩, 컨트롤러, DRAM)를 가지고 있습니다. 이러한 드라이브는 상단에서 1.2~2.0 mm 높이일 수 있으며 (PCB 포함 시 2.2~2.38 mm), 양면 장치(double-sided drive)의 경우 상단에서 1.2~1.5 mm, 하단에서 0.7~1.35 mm 범위입니다 (총 두께는 3.5~3.8 mm). 단면 장치의 경우 0.8 mm, 양면 장치의 경우 각각 0.15 mm와 0.3 mm가 큰 수치처럼 보이지 않을 수 있지만, 이는 접촉이 잘 되는 것과 전혀 안 되는 것의 차이를 만들 수 있습니다. 따라서 모든 사용 가능한 M.2 드라이브와 그에 따른 다양한 컴포넌트 높이를 고려하려는 메인보드 파트너들이 직면하는 문제를 알 수 있습니다.<h2>결과</h2>

우리는 B850 및 X870/X870E 칩셋을 탑재한 AMD의 최신 메인보드 20종과 Intel의 B760, B860, Z890 옵션을 선정했습니다. 이 제품들은 단순한 플레이트 스타일의 기본 M.2 히트싱크(Heatsink)를 갖춘 저가형 보드부터 거대한 쿨러를 탑재한 플래그십 모델까지 다양합니다. 이는 시중에 나와 있는 메인보드의 아주 작은 단면일 뿐이지만, 다양한 가격대의 브랜드 전반에서 접촉 상태가 얼마나 좋은지, 그리고 그러한 변수들이 실제로 의미가 있는지에 대한 일반적인 개념을 제공합니다.

Testing motherboard m.2 heatsinks(이미지 출처: Tom's Hardware)우리는 메인보드에서 기본 M.2 히트싱크를 제거하고 보호용 플라스틱 필름을 벗겨낸 뒤 접촉 상태를 테스트합니다. 그런 다음 드라이브를 M.2 소켓에 설치하여 메인보드의 기본 고정 메커니즘(Latching mechanism)으로 제대로 고정되었는지 확인합니다. 그 후 히트싱크를 다시 설치하여 히트싱크 또한 제대로 고정되었는지 확인합니다. 이 과정은 여러분이 직접 설치하는 방식과 다르지 않지만, 개인적으로 저는 (모든 빌드에서) 히트싱크를 약간 더 눌러주는 편입니다.앞서 저는 접촉 테스트 결과에 놀랐다고 언급했는데, 그 이유는 다음과 같습니다. 테스트한 20개의 메인보드 중 단 6개만이 PCB 상의 IC(집적 회로) 전체에 걸쳐 양호한 접촉을 보여주었으며, 테스트에 사용된 드라이브의 길이 전체에 걸쳐 적절한 압축(Compression)이 이루어졌습니다(테스트에 사용된 드라이브는 두께가 3.8mm인 양면 2TB Crucial T705입니다). 다른 5개의 보드는 드라이브 전체에 걸쳐 압축은 완벽하지만 매우 가벼운, 의심스러운 접촉 상태를 보였습니다. 마지막으로 9개의 보드는 양호한 접촉을 형성하지 못했으며, 컨트롤러(Throttling(쓰로틀링)을 방지하기 위해 가장 중요한 부분이라고 할 수 있음)만 접촉했을 뿐 상단이나 하단 등 모든 부위가 닿지는 않았습니다. 각 보드의 사진을 아래에서 확인하십시오. ALBM (40x - 보드 접촉 이미지)