Intel N100 기반 산업용 PC에서 듀얼 디스플레이 Unity 콘텐츠의 Thermal Throttling 이슈 분석

브레인 스캐너 (2025.03)

브레인 스캐너는 터치 UI를 통해 뇌의 특정 부위를 선택하면,
보조 모니터에서 해당 부위 설명 영상을 재생하는 듀얼 디스플레이 인터랙티브 콘텐츠입니다.

시스템 구성

Engine: Unity
Display 1: 터치 UI 렌더링
Display 2: Full HD 영상 출력
Hardware: 산업용 미니 PC
GPU: Intel UHD Graphics (내장 GPU)

문제 현상

현장 설치 직후 다음과 같은 증상이 발생했습니다.

컨텐츠 플레이 시, 잠깐의 시간이 지난 후 GPU 사용율 100% 고정
영상 재생 시 프레임 드랍
터치 반응 지연

CPU 사용률은 평균 40~50% 수준이었으며, 병목은 명확히 GPU 측이었습니다.

1. N100 + UHD Graphics 구조 이해

Intel Processor N100 개요

Architecture: Alder Lake-N
TDP: 6W (Base)
iGPU: Intel UHD Graphics (24 EUs)
Shared Memory 구조
4코어 / 4스레드, 최대 3.4GHz, 6W TDP의 초저전력 SoC

핵심은 6W TDP입니다.

CPU와 GPU가 동일한 전력 풀을 공유합니다.

즉, GPU 부하가 증가하면 CPU Turbo 여유가 줄어들고 온도 상승 시 양쪽 모두 클럭이 하락합니다.

2. Unity 듀얼 디스플레이 렌더링 부하 분석

Unity에서 Display2 를 활성화하면 단순히 화면을 복제하는 것이 아니었습니다.

내부적으로 발생하는 작업

Camera 별 Render Target 생성
Back Buffer 2개 유지
UI Canvas 별 Batch 생성
Video Texture Upload
YUV → RGB 변환
Blit 및 Composite

특히 영상 재생 시 GPU 부하는 다음과 같이 구성됩니다.

Video Decode (iGPU)
→ Frame Buffer Upload
→ Texture Sampling
→ UI Composite
→ Scanout to HDMI

Full HD × 2 출력은 픽셀 처리량 기준

1920 × 1080 × 2 = 4,147,200 pixels/frame
60fps 기준 약 248M pixels/sec

이는 단순 Scanout 기준이며, 실제로는 UI 합성 및 영상 텍스처 샘플링이 추가됩니다.

이 수치는 저전력 iGPU에 상당한 부담입니다.

3. GPU 100%의 함정

문제 상황에서 GPU 사용률은 항상 100%였습니다.

그러나 여기서 중요한 점은 GPU Usage 100%가 항상 최대 성능 상태를 말하는 것은 아닙니다.

GPU는 다음 두 가지 이유로 100%가 됩니다:

Case A – 실제 연산 포화

정상 클럭 유지
계산량 초과

Case B – Thermal Throttling 상태

클럭 강제 하락
처리량 감소
낮은 성능 상태에서 100%

이번 사례는 Case B 였습니다.

4. Thermal Throttling 메커니즘

팬리스 산업용 PC의 구조적 특징

냉각이 제한적인 알루미늄 하우징
하우징 구조와 주변 환경 조건에 크게 의존하는 열 방출 구조
SoC 직접 방열
고부하 시 내부 온도 상승 → SoC 온도 상승 → Intel Power Limit 알고리즘 작동

전력 제한 단계

PL2 (Turbo Burst)
PL1 (Sustained Power)
Thermal Limit
Emergency Clock Down

온도가 임계치를 넘으면:

GPU Clock ↓
Memory Bandwidth Effective ↓
Fill Rate ↓
Video Decode Throughput ↓

결과적으로 프레임 처리 시간이 늘어나며 GPU Usage는 100% 유지됩니다.

5. 공기 흐름 개선 이후 정상화된 이유

내부 열 축적 감소
SoC 온도 하락
GPU 클럭 복원
Decode Throughput 회복

즉, 문제의 본질은 연산 부족이 아니라 발열로 인한 클럭 제한이었습니다.

6. Video Decode 파이프라인 관점 분석

Intel UHD Graphics는 하드웨어 디코더를 포함합니다.

디코딩은 고정 기능 유닛
색공간 변환은 GPU 연산
Texture Upload는 Memory Bandwidth 의존

Shared Memory 구조에서는 CPU ↔ GPU ↔ RAM 모두 동일 대역폭 공유하므로, 발열로 인해 메모리 컨트롤러 클럭이 낮아지면 Texture Upload 병목이 심화됩니다.

듀얼 디스플레이 환경에서는 Scanout도 2배로 증가합니다.

7. 실무 교훈

1️⃣ 듀얼 디스플레이는 GPU 부하를 기하급수적으로 증가시킨다

Decode + Render + Composite + Scanout
Shared Memory 병목 발생

2️⃣ GPU Usage 100%는 원인이 아니다

GPU Clock
SoC Temperature
Power Limit Throttle 여부

등도 확인 해야합니다.

8. 이후 적용한 대응 전략

하드웨어

통풍 구조 개선
강제 공기 흐름 확보
저전력 SoC 기반 시스템에서는 운용 환경을 고려한 열 조건 검토가 중요합니다.

소프트웨어

VSync 재검토
필요 없는 Camera 비활성화
영상 Bitrate 최적화
Frame Rate 제한

결론

저전력 SoC 기반 산업용 PC에서 듀얼 디스플레이 + 영상 기반 Unity 콘텐츠를 운용할 경우, 병목은 단순 GPU 성능이 아니라 TDP 공유 구조 + 열 설계 + 메모리 대역폭 에서 발생할 가능성이 높습니다.

이번 사례는 <GPU 100% → 성능 부족>이라는 단순 진단이 아닌 시스템 레벨에서 원인을 분석해야 한다는 점을 보여준 사례였습니다.

저전력 SoC 기반 환경에서는 하드웨어 특성과 소프트웨어 부하가 동시에 작용하므로, 단일 지표(GPU Usage)만으로 병목을 판단하기 어렵습니다.

저전력 산업용 PC에서의 Unity 듀얼 디스플레이 성능 분석