2. 케이블을 바꾼다고 실제로 성능향상이 이루어지나?

고가의 케이블을 사용하게 되면서 사용자들이 가장 먼저 접하게 되는 것은 '케이블 바꾼다고 성능이 향상될것인가?'라는 의문점이다. 사용자들 입장에서는 당연히 '비싼것 = 고성능'이라는 등식이 성립하고 있으며 이 등식에 자신이 구입한 물건을 맞춰보려고 하기 때문이다. 그런데, 아무리 머리를 써봐도 케이블을 바꾼다고 해서 하드디스크드라이브의 RPM이 더 빨라지는 것도 아닐 터이며, 케이블이 비싸다고 해서 CPU가 오버클럭이 잘되는 것도 아닐터이다. 어떻게 생각하면 비싼 케이블로의 교체는 그다지 의미가 없다고 생각하는 사용자들도 있다.

하지만, 고가의 케이블에서 얻어지는 장점은 분명히 존재한다. 앞페이지에서 언급한 케이블 재질의 차이로 인해서 전송속도의 차이가 발생할 수 있다는 것이다. 다음의 표를 보도록 하자.

이것은 케이블 피복의 종류에 의해서 발생하는 케이블의 내부 캐패시턴스와 지연시간이다. 이들의 효과에 대해서 생각해보자.

캐패시턴스(Capacitance)

캐패시터라는 것은 축전기를 의미한다. 전하를 그만큼 잡아둘 수 있다는 이야기이며, 이를 바탕으로 생각하면, 캐패시턴스가 클 경우 케이블 자체에서 전하를 붙잡아 둔다는 것이 된다. 그러나 컴퓨터의 디지털 신호전달체계에서 가장 이상적인 것은 신호가 끊어지는 순간 전압은 0이 되며, 신호가 들어오는 순간에 케이블에 흐르는 전압은 1(인 상태)이 되어야 한다. 그러나 캐패시턴스가 높을 경우 다음과 같은 일이 발생한다.

A는 가장 이상적인 경우를 의미한다. 1과 0이 명확하게 구분되고 있다. B와 C의 경우는 케이블에 캐패시턴스가 존재하는 경우에 신호가 어떻게 왜곡되는가를 보여준다. 케이블에 1이라는 신호가 인가되었을 경우 전압은 1인 상태로 올라가야 하지만, 캐패시턴스로 인해서 케이블이 전하를 붙잡고 있기 때문에 순간적으로 1이 되지 못하고 약간의 지연이 생긴다. 이러한 지연은 캐패시턴스가 커질수록 같이 커지기 때문에 신호의 형태가 더욱 크게 왜곡된다. 위의 일러스트에서 B보다 C쪽이 더 큰 캐패시턴스를 가지는 것을 보여주고 있다.

이러한 신호의 왜곡이 어떠한 영향을 줄까? 신호의 타이밍이 점점 짧아진다고 생각해보자. 즉, 사용되는 클럭 주파수(MHz)가 점점 높아진다고 생각한다면 어떠한 상황이 벌어지게 될지 쉽게 상상이 가능하다.

이 일러스트는 위의 C와 같은 캐패시턴스를 가지는 상황에서 클럭이 2배로 증가했을 때 어떠한 일이 벌어지는가를 극단적으로 보여준다. 신호의 형태가 완전히 왜곡되어버리며, 시스템에서는 이러한 신호를 0이나 1로 인식해야 하는지를 혼동하는 상황이 발생한다. 뿐만 아니라 이러한 상황에서는 약간의 노이즈만 개입해도 바로 신호의 오류로 이어진다.

이 때문에 낮은 캐패시턴스는 특히 높은 클럭 주파수에서 시스템의 안정성을 향상시키는데에 큰 영향을 주는 요소라고 할 수 있으며, 고가의 케이블들에서 TPO 재질 및 FEP(테프론)을 사용함으로써 실제로 시스템의 안정성을 향상시켜주는 것이다.

전달 지연(Propagation Delay)

두번째, 전달지연시간이다. 케이블을 통해서 전류가 흐를 때, 이것은 순간적으로 전송되는 것이 아니다. 케이블이 하나의 선만으로 단독으로 존재하는 것이 아니기 때문에 주변 케이블에 영향을 받으며, 이것을 차단해주는 피복재질의 종류에 의해서 지연시간의 차이가 발생한다. PVC 케이블의 경우 1.5ns/ft라고 되어 있는데, 이것은 미터단위로 환산하면 약 5ns 정도가 된다. 흔히 사용하는 ATA 케이블의 길이를 50cm(실제는 46cm 미만)이라고 가정할 경우 신호가 케이블의 한쪽 끝단에서 다른쪽 끝단으로 전송되는데에 2.5ns의 시간이 필요하다는 것이다. 신호의 왕복이 필요할 경우는 케이블에서만 5ns의 지연시간이 발생하며, 또한 연결된 하드웨어상의 컨트롤러에서도 수 ns의 지연시간이 발생하여, 최대 약 10ns의 지연시간이 생길 수 있다는 것이다.

10ns라면, 이 케이블 상에서 만들어낼 수 있는 최대 클럭 주파수는 100MHz 이하라는 이야기가 된다. 위의 예가 좀 극단적인 것이기는 하지만, ATA133 등은 결국 PVC 케이블의 한계에 거의 도달해 있다고 보아도 좋다. 캐패시턴스에 대한 영향을 줄이고 주변 케이블로부터의 EMI를 최소화하기 위해서 80선 케이블(이후로는 80C40P라고 칭한다. 80 conductor, 40 pin이라는 이야기이다)을 사용하기는 하지만 그 역시 한도에 도달해있다. 확신할 수는 없지만, 인텔이 굳이 ATA133으로 이행하지 않고 시리얼 ATA로 전향하는 것은 인텔사 자신의 자존심문제도 있겠지만(인텔은 그간 '자신이 표준을 규정하고 타사로 하여금 그것을 따라가게 만들어' 왔던 적은 많지만 타사에서 만든 표준을 스스로 따라간 적은 거의 없다. ATA133 및 빅드라이브 표준은 맥스터에서 제안한 것인만큼 그것을 그대로 따라가기가 좀 껄끄러웠는지도 모른다.) 이러한 물리적 한계에서 굳이 더 진행할 필요성을 못 느껴서였을 수도 있다.

결국 지연시간이 짧다는 것은 개개의 신호전달이 더욱 신속하고 명확하게 이루어진다는 것을 의미한다. PVC 케이블의 경우 지연시간이 위와 같지만, TPO 케이블의 경우 PVC에 비해서 약 7% 짧은 지연시간을, 그리고 FEP의 경우는 14%에 달하는 지연시간의 감축효과를 가져온다. 이것은 신호의 전달을 보다 신속하게 이루어지게 함으로써 실제적인 성능의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 케이블의 길이가 길어져도 어느정도까지는 커버할 수 있는 여유가 생긴다는 것도 고급 피복재의 장점이라고 할 수 있을 것이다.

3. 마치며

혹자는 필자의 이러한 글을 읽고서 '고가 제품에 대한 지나친 옹호가 아니냐'라고 생각할 수도 있다. 그러나 고가의 컴포넌트가 시스템 내에서 어떠한 영향을 미치는가가 사용자들에게 크게 어필하지 못하고 있는 현 시점에서, 케이블같은 일종의 '부속자재'의 변경만으로도 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다는 것을 알리고자 한 것이며, 한편으로는 케이블 길이의 제한 등이 왜 이루어지고 있는가를 간접적으로나마 살펴보고자 했다. 필자의 의도가 제대로 전달되었을까가 무척 궁금해진다.

References

두산세계대백과사전 - 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)
시스켐 - 주요 TPE의 국내-외 시장현황
듀퐁사의 소개자료, 주식회사 진양의 테프론 기술자료