엔지니어로서 하드웨어를 다루다 보면, 제조사가 정해둔 ‘스펙(Spec)‘이라는 것이 사실은 안전마진을 엄청나게 확보한 ‘제안’에 불과하다는 것을 깨닫는 순간이 옵니다. 과거 Celeron 300A를 450MHz로 오버클럭하며 희열을 느꼈던 세대라면, 오늘 소개할 이야기가 꽤나 흥미로울 겁니다.

최근 Pimoroni의 엔지니어 Mike가 Raspberry Pi Pico 2(RP2350)를 가지고 극한의 오버클럭 을 시도했습니다. 단순히 클럭을 조금 높인 수준이 아니라, 드라이아이스까지 동원해 정규 클럭(150MHz)의 5배가 넘는 873.5MHz 를 찍어버렸습니다. 이 과정에서 발견된 기술적 인사이트와 Hacker News의 반응을 제 관점과 함께 정리해 봅니다.

왜 굳이 이런 짓을 하는가?

“왜?”라고 묻는다면 엔지니어링에 대한 낭만이 부족한 겁니다. 하지만 실용적인 관점에서도 이 실험은 의미가 큽니다. 칩의 V-F(Voltage-Frequency) 커브 를 확인함으로써, 우리가 실제 프로덕션 환경에서 얼마나 안전하게 성능을 더 뽑아낼 수 있는지 가늠할 수 있기 때문입니다.

1. 기본 마진이 엄청나다 (Sandbagging)

가장 놀라운 점은 ‘학대’를 시작하기 전, 일반적인 전압 레벨에서의 성능입니다. RP2350의 스톡 코어 전압은 1.1V입니다. Mike의 테스트에 따르면, 별도의 쿨링 없이 전압을 건드리지 않고도 300MHz 까지는 무난하게 동작했습니다.

• 1.1V (기본): ~312MHz 달성
• 1.3V: ~420MHz 달성

이 데이터가 시사하는 바는 큽니다. 라즈베리 파이 재단이 수율과 신뢰성을 위해 스펙을 상당히 보수적으로 잡았다는 뜻이죠. 만약 여러분이 200~250MHz 정도의 성능이 필요한 프로젝트를 하고 있다면, 굳이 비싼 MCU로 갈아타지 않고 설정값만 바꿔도 충분히 안정적인 구동이 가능하다는 이야기입니다.

본격적인 학대: 전압 주입과 드라이아이스

RP2350의 온보드 레귤레이터는 소프트웨어적으로 1.3V 이상을 요청할 수 있지만, 전류 제한 때문에 2.2V 이상은 공급하지 못했습니다. 여기서부터 진짜 엔지니어링이 시작됩니다.

Mike는 Test Point 7(TP7) 을 통해 외부 전원 공급 장치(Bench PSU)로 전압을 직접 주입(Injection)했습니다. 그리고 발열을 잡기 위해 드라이아이스를 들이부었죠.

결과는 충격적입니다.

• 2.8V 인가 시: 800MHz 달성
• 3.05V 인가 시: 873.5MHz 달성

3V는 최신 공정의 로직 코어에 들어가기엔 말도 안 되는 고전압입니다. 보통이라면 ‘매직 스모크(Magic Smoke)‘를 내뿜으며 즉사했어야 정상입니다. 하지만 이 칩은 버텼습니다. 심지어 테스트 도중 결로 현상으로 인한 쇼트가 있었음에도 살아남았다고 합니다. RP2350의 내구성이 상상 이상이라는 증거입니다.

RISC-V 코어의 의외의 성능

RP2350은 ARM Cortex-M33 코어와 RISC-V(Hazard3) 코어를 선택해서 부팅할 수 있는 독특한 듀얼 아키텍처를 가지고 있습니다. 이번 테스트에서 흥미로운 데이터가 하나 나왔습니다.

“CoreMark actually gave a slightly higher performance per MHz using the RISC-V cores - just under 5% faster.”

동일 클럭에서 RISC-V 코어가 ARM보다 약 5% 더 빠른 CoreMark 점수 를 기록했습니다. 정수 연산 위주의 워크로드라면, 그리고 레거시 ARM 라이브러리 의존성이 없다면 RISC-V 모드로 컴파일하는 것만으로도 공짜 성능 향상을 얻을 수 있다는 뜻입니다. 이는 RISC-V 아키텍처가 실무 레벨에서도 충분히 경쟁력이 있음을 보여주는 작은 사례입니다.

Hacker News의 반응과 기술적 논의

이 실험을 두고 HN에서도 흥미로운 토론이 오갔습니다. 단순한 감탄을 넘어 시스템 설계 관점의 이야기들이 눈에 띕니다.

1. 신뢰성 vs 성능 (Nondeterministic Computing)

한 유저는 CPU 설계에 대한 재미있는 아이디어를 던졌습니다.

“엄청나게 빠른(하지만 가끔 틀리는) 오버클럭된 코어와, 느리지만 정확한 검증(Verification) 유닛을 병렬로 돌리면 어떨까?”

이는 실제 고성능 컴퓨팅에서 논의되는 Approximate Computing 이나 오류 정정 메커니즘과 맞닿아 있습니다. 물론 MCU 레벨에서는 배보다 배꼽이 더 크겠지만, 오버클럭의 불안정성을 ‘기능’으로 승화시키려는 발상이 재밌습니다.

2. 가성비 논쟁

“그냥 리눅스 되는 저가형 SoC 쓰면 되는 거 아님?”이라는 의견도 빠지지 않았습니다. LicheeRV 같은 $20 미만의 리눅스 보드들이 1GHz를 찍어주는 시대니까요.

하지만 제 생각은 다릅니다. Microcontroller(MCU) 의 핵심은 ‘결정론적(Deterministic) 동작’과 ‘낮은 레이턴시’입니다. 리눅스 커널 스케줄러의 간섭 없이 GPIO를 수십 MHz로 비트뱅잉(Bit-banging) 할 수 있는 능력은 깡성능 높은 AP가 대체하기 어렵습니다. 특히 RP2350의 PIO(Programmable I/O) 기능은 FPGA의 유연성을 일부 가져오면서도 가격은 $1 수준이라는 점에서 독보적인 위치를 차지합니다.

결론: 그래서 실무에 쓸 수 있나?

이 실험의 결론은 “873MHz를 실사용하라”가 아닙니다. 핵심은 마진(Margin) 입니다.

1. 안전지대: 1.1V~1.2V 전압에서 250~300MHz 구동은 쿨링 없이도 매우 안정적일 것으로 보입니다. (물론 장기 신뢰성 테스트는 필요합니다.)
2. 내구성: 3V 이상의 과전압과 결로를 견딘 것을 볼 때, RP2350은 산업용 현장의 노이즈나 전원 불안정성에도 꽤 강한 모습을 보여줄 것으로 기대됩니다.
3. RISC-V의 가능성: 5%의 성능 이득은 덤입니다.

솔직히 $5짜리 칩 하나가 보여주는 퍼포먼스와 잠재력이 이 정도일 줄은 몰랐습니다. 주말에 서랍 속에 박혀있는 Pico 2가 있다면, vreg_set_voltage 함수를 호출해 보는 건 어떨까요? 물론, 책임은 본인 몫입니다.