Thermal Management (열 관리)

Linux 커널 Thermal 서브시스템은 CPU/GPU/SoC 센서 온도를 기반으로 thermal zone, trip point, cooling map을 구성하고 cooling device를 제어해 과열을 방지합니다. step_wise/fair_share/power_allocator governor의 제어 전략, cpufreq/devfreq·fan·throttle 연동, ACPI·Device Tree·hwmon 통합, 열 한계와 성능 사이의 정책 설계, 운영 환경에서의 throttling 원인 분석과 디버깅 절차를 상세히 다룹니다.

개요

Thermal Management 서브시스템은 하드웨어 과열을 방지하고 성능과 전력 소비를 균형있게 조절하는 커널의 핵심 컴포넌트입니다.

주요 구성 요소

• Thermal Zone — 온도를 측정할 수 있는 하드웨어 영역 (CPU 코어, GPU 다이, SoC 등)
• Cooling Device — 온도를 낮추기 위한 장치 (CPU 주파수 제한, 팬 속도 제어, GPU throttling)
• Thermal Governor — thermal zone과 cooling device 간의 정책 결정 알고리즘
• Trip Point — 온도 임계값. 특정 온도에 도달하면 cooling action 트리거

아키텍처

Thermal Zone

thermal_zone_device 구조체

struct thermal_zone_device {
    int id;
    char type[THERMAL_NAME_LENGTH];
    struct device device;
    struct thermal_zone_device_ops *ops;
    const struct thermal_zone_params *tzp;
    struct thermal_governor *governor;
    struct list_head thermal_instances;  /* cooling device 바인딩 */
    int temperature;           /* 현재 온도 (milli-Celsius) */
    int last_temperature;      /* 이전 측정 온도 */
    int polling_delay;         /* 폴링 주기 (msec) */
    int passive;               /* passive cooling 활성화 */
    bool forced_passive;
    struct thermal_zone_device_ops *ops;
    struct list_head node;
};

thermal_zone_device_ops

struct thermal_zone_device_ops {
    int (*bind)(struct thermal_zone_device *,
                  struct thermal_cooling_device *);
    int (*unbind)(struct thermal_zone_device *,
                    struct thermal_cooling_device *);
    int (*get_temp)(struct thermal_zone_device *, int *temp);
    int (*set_trips)(struct thermal_zone_device *, int, int);
    int (*get_mode)(struct thermal_zone_device *,
                     enum thermal_device_mode *);
    int (*set_mode)(struct thermal_zone_device *,
                     enum thermal_device_mode);
    int (*get_trip_type)(struct thermal_zone_device *, int,
                           enum thermal_trip_type *);
    int (*get_trip_temp)(struct thermal_zone_device *, int, int *);
    int (*get_crit_temp)(struct thermal_zone_device *, int *);
    int (*notify)(struct thermal_zone_device *, int,
                   enum thermal_trip_type);
};

Trip Points (온도 임계값)

Trip point는 특정 온도에 도달했을 때 cooling action을 트리거하는 임계값입니다.

Thermal Zone 등록

struct thermal_zone_device *
thermal_zone_device_register(
    const char *type,
    int trips,
    int mask,
    void *devdata,
    struct thermal_zone_device_ops *ops,
    struct thermal_zone_params *tzp,
    int passive_delay,
    int polling_delay
);

/* 예: ACPI Thermal Zone 등록 */
struct thermal_zone_device *tz;
tz = thermal_zone_device_register("acpitz", 4, 0xf, tz_data,
                                     &acpi_thermal_zone_ops,
                                     &acpi_thermal_params,
                                     10000, 0);

Cooling Device

thermal_cooling_device 구조체

struct thermal_cooling_device {
    int id;
    char type[THERMAL_NAME_LENGTH];
    struct device device;
    struct thermal_cooling_device_ops *ops;
    bool updated;
    unsigned long max_state;  /* 최대 cooling level */
    unsigned long cur_state;  /* 현재 cooling level */
    struct list_head node;
};

thermal_cooling_device_ops

struct thermal_cooling_device_ops {
    int (*get_max_state)(struct thermal_cooling_device *,
                         unsigned long *);
    int (*get_cur_state)(struct thermal_cooling_device *,
                         unsigned long *);
    int (*set_cur_state)(struct thermal_cooling_device *,
                         unsigned long);
    int (*get_requested_power)(struct thermal_cooling_device *,
                                struct thermal_zone_device *, u32 *);
    int (*state2power)(struct thermal_cooling_device *,
                        struct thermal_zone_device *,
                        unsigned long, u32 *);
    int (*power2state)(struct thermal_cooling_device *,
                        struct thermal_zone_device *, u32,
                        unsigned long *);
};

Cooling Device 종류

• CPU Frequency Cooling (cpufreq_cooling_register) — CPU 주파수를 낮춰 전력 소비 감소
• Fan Cooling — PWM 제어로 팬 속도 조절
• GPU Throttling — GPU 주파수/전압 제한
• Devfreq Cooling (devfreq_cooling_register) — Memory Controller, GPU 등 devfreq 장치

Cooling Device 등록

/* CPUFreq Cooling Device 등록 */
struct thermal_cooling_device *cdev;
struct cpumask clip_cpus;

cpumask_set_cpu(0, &clip_cpus);
cdev = cpufreq_cooling_register(&clip_cpus);

/* Fan Cooling Device 등록 */
struct thermal_cooling_device *fan_cdev;
fan_cdev = thermal_cooling_device_register("Fan", fan_data,
                                              &fan_cooling_ops);

Thermal Governor

Thermal Governor는 thermal zone의 온도에 따라 cooling device를 제어하는 정책 알고리즘입니다.

Governor 종류

Step-Wise Governor (기본)

step_wise governor는 온도가 trip point를 초과하면 cooling state를 한 단계씩 증가시키고, 온도가 낮아지면 한 단계씩 감소시킵니다.

/* Step-Wise Governor 알고리즘 */
if (temperature > trip_temp) {
    /* 온도 상승: cooling state 증가 */
    new_state = cur_state + 1;
    if (new_state > max_state)
        new_state = max_state;
} else {
    /* 온도 하강: cooling state 감소 */
    if (cur_state > 0)
        new_state = cur_state - 1;
}
set_cur_state(cdev, new_state);

Power Allocator Governor

ARM 모바일 SoC에서 널리 사용됩니다. PID(Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러를 사용해 전력 예산을 동적으로 할당합니다.

struct thermal_zone_params {
    char governor_name[THERMAL_NAME_LENGTH];
    bool no_hwmon;
    int num_tbps;
    struct thermal_bind_params *tbp;

    /* Power Allocator 전용 */
    s32 k_po;           /* PID proportional gain (overshoot) */
    s32 k_pu;           /* PID proportional gain (undershoot) */
    s32 k_i;            /* PID integral gain */
    s32 k_d;            /* PID derivative gain */
    s32 integral_cutoff;
    int sustainable_power; /* 지속 가능 전력 (mW) */
};

Governor 선택

# sysfs로 governor 변경 */
# cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/available_policies
step_wise fair_share power_allocator bang_bang user_space

# echo power_allocator > /sys/class/thermal/thermal_zone0/policy

ACPI Thermal Zone

UEFI/ACPI 플랫폼에서는 ACPI 펌웨어가 thermal zone과 cooling method를 정의합니다.

ACPI Thermal Methods

ACPI Thermal Zone 예시

/* ACPI DSDT에서 Thermal Zone 정의 예시 (ASL) */
ThermalZone (TZ00) {
    Method (_TMP, 0) {
        /* EC(Embedded Controller)에서 온도 읽기 */
        Return (\_SB.PCI0.LPCB.EC0.TMP0)  /* 0.1K 단위 */
    }

    Method (_CRT) { Return (3732) }  /* 100°C (373.2K) */
    Method (_PSV) { Return (3632) }  /* 90°C */

    Method (_AC0) { Return (3532) }  /* 80°C */
    Method (_AL0) { Return (Package(){\_SB.FAN0}) }

    Name (_PSL, Package(){\_SB.CPU0, \_SB.CPU1})  /* Passive 대상 CPU */
}

sysfs 인터페이스

Thermal Zone sysfs

Cooling Device sysfs

sysfs 사용 예시

# 모든 thermal zone 온도 확인
# for tz in /sys/class/thermal/thermal_zone*; do
    echo "$tz: $(cat $tz/type) = $(cat $tz/temp | awk '{print $1/1000}')°C"
done

# Cooling device 상태 확인
# cat /sys/class/thermal/cooling_device0/type
Processor
# cat /sys/class/thermal/cooling_device0/cur_state
0
# cat /sys/class/thermal/cooling_device0/max_state
10

# Governor 변경
# echo power_allocator > /sys/class/thermal/thermal_zone0/policy

hwmon 통합

Thermal 서브시스템은 hwmon 센서와 통합되어 다양한 온도 센서를 thermal zone으로 노출할 수 있습니다.

/* hwmon thermal zone 자동 생성 (CONFIG_THERMAL_HWMON) */
struct thermal_hwmon_device {
    struct device *device;
    int count;
    struct list_head tz_list;
    struct list_head node;
};

/* /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input과 연동 */

CPU Frequency Cooling

CPUFreq cooling device는 CPU 주파수를 제한하여 온도를 낮춥니다.

CPUFreq Cooling 등록

#include <linux/cpu_cooling.h>

struct thermal_cooling_device *cdev;
struct cpumask clip_cpus;
struct cpufreq_policy *policy;

policy = cpufreq_cpu_get(0);
cpumask_copy(&clip_cpus, policy->related_cpus);
cpufreq_cpu_put(policy);

/* Cooling device 등록 */
cdev = cpufreq_cooling_register(&clip_cpus);
if (IS_ERR(cdev))
    return PTR_ERR(cdev);

/* OPP 기반 cooling (전력 인식) */
cdev = of_cpufreq_cooling_register(np, &clip_cpus);

Cooling State와 주파수 매핑

CPUFreq cooling device는 가용 주파수를 cooling state로 매핑합니다.

/* 예: max_state=10, 가용 주파수가 11개라면 */
State 0: 2400 MHz  /* 최대 주파수 */
State 1: 2200 MHz
State 2: 2000 MHz
...
State 10: 400 MHz  /* 최소 주파수 */

Devfreq Cooling

GPU, Memory Controller 등 devfreq 장치를 cooling device로 등록합니다.

#include <linux/devfreq_cooling.h>

struct thermal_cooling_device *
devfreq_cooling_register(struct devfreq *df,
                          struct devfreq_cooling_power *dfc_power);

/* GPU devfreq cooling 등록 */
struct devfreq *gpu_devfreq;
struct thermal_cooling_device *gpu_cdev;

gpu_cdev = devfreq_cooling_register(gpu_devfreq, NULL);

Thermal Interrupts

일부 하드웨어는 온도 임계값 도달 시 인터럽트를 발생시킵니다.

Thermal IRQ 처리

static irqreturn_t thermal_zone_irq_handler(int irq, void *data)
{
    struct thermal_zone_device *tz = data;

    /* 온도 업데이트 트리거 */
    thermal_zone_device_update(tz, THERMAL_EVENT_UNSPECIFIED);

    return IRQ_HANDLED;
}

/* 인터럽트 등록 */
devm_request_threaded_irq(dev, irq, NULL,
                           thermal_zone_irq_handler,
                           IRQF_ONESHOT, "thermal", tz);

Thermal Netlink

커널 5.9+에서 thermal 이벤트를 netlink로 userspace에 전달합니다.

#include <linux/thermal.h>

/* Thermal Netlink 이벤트 */
enum thermal_notify_event {
    THERMAL_EVENT_UNSPECIFIED,
    THERMAL_EVENT_TEMP_SAMPLE,       /* 온도 샘플링 */
    THERMAL_TRIP_VIOLATED,           /* trip point 초과 */
    THERMAL_TRIP_CHANGED,            /* trip point 변경 */
    THERMAL_DEVICE_DOWN,             /* thermal zone 비활성화 */
    THERMAL_DEVICE_UP,               /* thermal zone 활성화 */
    THERMAL_DEVICE_NEW,              /* 새 thermal zone 등록 */
    THERMAL_DEVICE_DEL,              /* thermal zone 제거 */
};

/* Netlink 그룹: THERMAL_GENL_SAMPLING_GROUP, THERMAL_GENL_EVENT_GROUP */

디버깅 & 모니터링

Tracing

# Thermal tracepoint 활성화
# cd /sys/kernel/debug/tracing
# echo 1 > events/thermal/enable

# 주요 tracepoint
thermal_temperature         # 온도 샘플링
thermal_zone_trip           # trip point 도달
cdev_update                 # cooling device 상태 변경
thermal_power_allocator     # power allocator governor

# trace 출력
# cat trace
     kworker/0:1-123 [000] .... 123.456: thermal_temperature: thermal_zone=acpitz temp=55000

실시간 모니터링

#!/bin/bash
# thermal_monitor.sh - 실시간 온도 모니터링

while true; do
    clear
    echo "===== Thermal Status ====="

    for tz in /sys/class/thermal/thermal_zone*; do
        type=$(cat $tz/type)
        temp=$(cat $tz/temp)
        policy=$(cat $tz/policy 2>/dev/null || echo "N/A")

        printf "%-20s: %6.2f°C  Governor: %s\\n" \
               "$type" $(awk "BEGIN {print $temp/1000}") "$policy"
    done

    echo
    echo "===== Cooling Devices ====="
    for cdev in /sys/class/thermal/cooling_device*; do
        type=$(cat $cdev/type)
        cur=$(cat $cdev/cur_state)
        max=$(cat $cdev/max_state)

        printf "%-20s: %2d / %2d\\n" "$type" "$cur" "$max"
    done

    sleep 1
done

thermald (Thermal Daemon)

Intel thermald는 userspace thermal management 데몬입니다.

# thermald 설치 (Ubuntu/Debian)
# apt install thermald

# 서비스 상태 확인
# systemctl status thermald

# 설정 파일: /etc/thermald/thermal-conf.xml
# 로그: journalctl -u thermald

성능 고려사항

Polling Delay 조정

온도 폴링 주기는 응답 속도와 CPU 오버헤드 사이의 트레이드오프입니다.

• passive_delay — passive cooling 활성화 시 폴링 주기 (msec, 짧게)
• polling_delay — 일반 폴링 주기 (msec, 길게)

/* 폴링 주기 예시 */
passive_delay = 10000;  /* 10초 (passive cooling 시) */
polling_delay = 0;       /* 0 = 인터럽트 기반 */

Hysteresis (히스테리시스)

온도가 임계값 근처에서 진동할 때 cooling device가 계속 on/off되는 것을 방지합니다.

struct thermal_trip {
    int temperature;        /* trip 온도 */
    int hysteresis;         /* 히스테리시스 (milli-Celsius) */
    enum thermal_trip_type type;
};

/* 예: trip_temp=80°C, hysteresis=5°C */
/*   → 85°C 초과 시 cooling 시작 */
/*   → 75°C 이하로 떨어지면 cooling 중단 */

커널 설정

CONFIG_THERMAL=y                       # Thermal 서브시스템
CONFIG_THERMAL_HWMON=y                 # hwmon 통합
CONFIG_THERMAL_GOV_STEP_WISE=y         # Step-Wise Governor
CONFIG_THERMAL_GOV_FAIR_SHARE=y        # Fair-Share Governor
CONFIG_THERMAL_GOV_POWER_ALLOCATOR=y   # Power Allocator Governor
CONFIG_THERMAL_GOV_BANG_BANG=y         # Bang-Bang Governor
CONFIG_THERMAL_GOV_USER_SPACE=y        # Userspace Governor
CONFIG_CPU_THERMAL=y                   # CPUFreq Cooling
CONFIG_DEVFREQ_THERMAL=y               # Devfreq Cooling
CONFIG_THERMAL_EMULATION=y             # 온도 에뮬레이션 (테스트용)
CONFIG_THERMAL_STATISTICS=y            # Cooling 통계

# 플랫폼 특화
CONFIG_ACPI_THERMAL=y                  # ACPI Thermal Zone
CONFIG_INTEL_POWERCLAMP=y              # Intel Idle Injection
CONFIG_X86_PKG_TEMP_THERMAL=y          # Intel Package Temperature
CONFIG_INT340X_THERMAL=y               # Intel INT3400/INT3403 DPTF

Common Issues

Troubleshooting

# Thermal zone 정보 확인
# cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/type
# cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp
# cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/mode

# Cooling device 바인딩 확인
# ls -l /sys/class/thermal/thermal_zone0/cdev*

# ACPI thermal zone 디버깅
# dmesg | grep -i thermal
# dmesg | grep -i acpi

# Thermal emulation (테스트용)
# echo 85000 > /sys/class/thermal/thermal_zone0/emul_temp

참고자료

• Linux Thermal Framework Documentation
• Intel Thermal Daemon (thermald)
• drivers/thermal/thermal_core.c — Thermal Core 구현
• drivers/thermal/gov_*.c — Thermal Governor 구현
• drivers/thermal/cpu_cooling.c — CPUFreq Cooling
• drivers/acpi/thermal.c — ACPI Thermal Zone