마더보드 [M/B (MotherBoard or MainBoard)]

마더보드(또는 메인보드, 메인 회로 기판, MB, 모보, 베이스 보드, 시스템 보드, 애플 컴퓨터에서는 로직 보드라고도 불림)는 일반적인 컴퓨터와 확장 가능한 시스템에서 주요한 인쇄 회로 기판(PCB)이다. 이 보드는 시스템의 중요한 전자 부품인 중앙 처리 장치(CPU)와 메모리 간의 통신을 가능하게 하며, 다른 주변 장치들과 연결할 수 있는 커넥터를 제공한다. 백플레인(backplane)과는 달리, 마더보드는 일반적으로 CPU, 칩셋의 입출력 및 메모리 컨트롤러, 인터페이스 커넥터 및 다른 일반적인 용도로 통합된 부품과 같은 중요한 하위 시스템을 포함한다.

 

 

마더보드는 확장 기능을 갖춘 PCB를 의미한다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 보드는 이를 연결하는 모든 부품들의 '어머니'로 불리며, 여기에는 사운드 카드, 비디오 카드, 네트워크 카드, 호스트 버스 어댑터, TV 튜너 카드, IEEE 1394 카드 등 다양한 사용자 정의 부품들이 포함된다. 마찬가지로, 메인보드는 레이저 프린터, 텔레비전, 세탁기, 모바일 폰 등 확장 능력이 제한된 임베디드 시스템의 제어 보드와 같이 추가 확장이 불가능한 장치를 설명하는 용어로 사용된다.

 

1990년대 개인 데스크탑 컴퓨터의 마더보드에는 일반적으로 이 시기의 데스크탑 PC에서 볼 수 있는 구성 요소와 인터페이스가 포함되어 있으며, 이는 베이비 AT(폼 팩터)를 따르고 있다. 마더보드는 1970년대 S-100 버스와 같은 백플레인 시스템의 예에서 볼 수 있듯이, 과거에는 CPU와 일부 지원 회로가 단일 CPU 보드에 포함되고, 메모리와 주변 장치는 추가 보드로 연결되었던 형태였다. 이러한 시스템에서는 각 보드가 백플레인에 꽂혀 연결되었으며, 초기에는 구리선으로 연결되었으나, 곧 인쇄 회로 기판이 표준화되었다.

 

1980년대의 인기 있는 컴퓨터인 애플 II와 IBM PC는 빠른 역설계와 제3자 대체 마더보드를 제작할 수 있도록 하는 회로도와 문서화를 제공하였다. 이러한 마더보드는 일반적으로 새로운 컴퓨터를 구축하는 데 사용되었으며, 성능 향상이나 기타 기능을 추가하여 원래 장비를 업그레이드하는 데 활용되었다. 1980년대 후반과 1990년대 초반에는 점점 더 많은 주변 기능을 마더보드에 통합하는 것이 경제적으로 가능해졌고, 이로 인해 마더보드는 저속 주변 장치인 PS/2 키보드와 마우스, 플로피 디스크 드라이브, 직렬 포트, 병렬 포트를 지원하는 슈퍼 I/O 칩을 탑재하기 시작했다. 1990년대 후반에는 많은 개인용 컴퓨터 마더보드가 오디오, 비디오, 저장 장치, 네트워킹 기능을 내장하여 추가적인 확장 카드 없이도 사용할 수 있게 되었으며, 3D 게임과 컴퓨터 그래픽을 위한 고급 시스템에서는 그래픽 카드만 별도의 구성 요소로 유지되었다. 비즈니스 PC, 워크스테이션, 서버는 더 강력한 기능이나 고속을 필요로 했기 때문에 여전히 확장 카드를 사용하며, 이러한 시스템은 내장된 구성 요소가 적었다.

 

 

1990년대에 개발된 노트북과 랩탑 컴퓨터는 가장 일반적인 주변 장치를 통합하였다. 일부 시스템에서는 메모리, 프로세서, 네트워크 컨트롤러, 전원 공급 장치, 저장 장치 등을 통합하여 업그레이드가 불가능한 마더보드를 사용하였으며, 이는 21세기 초에 등장한 소형 시스템(예: 태블릿 컴퓨터, 넷북)에도 이어졌다.

 

마더보드는 다른 부품들이 통신할 수 있도록 전기적 연결을 제공한다. 백플레인과 달리 마더보드는 CPU와 기타 하위 시스템 및 장치들을 포함하고 있다. 일반적인 데스크탑 컴퓨터는 마더보드에 마이크로프로세서, 주 메모리 및 기타 필수 부품들이 연결된다. 외부 저장 장치, 비디오 디스플레이 및 사운드를 위한 컨트롤러, 주변 장치는 확장 카드 형태로 마더보드에 연결되거나 케이블을 통해 연결된다. 최신 마이크로컴퓨터에서는 일부 주변 장치들이 마더보드 자체에 통합되는 경우가 많다.

 

마더보드의 중요한 부품 중 하나는 CPU와 메인 메모리 및 다양한 외부 장치들 간의 인터페이스를 제공하는 지원 칩셋이다. 이 칩셋은 마더보드의 특징과 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 최신 마더보드는 다음과 같은 부품을 포함한다. CPU 소켓(또는 CPU 슬롯)으로, 여기에 하나 이상의 마이크로프로세서를 설치할 수 있다. VIA Nano, Goldmont Plus와 같은 BGA 패키지를 사용하는 CPU의 경우, CPU가 마더보드에 직접 납땜된다. 시스템의 주 메모리를 설치하는 메모리 슬롯은 일반적으로 DRAM 칩이 포함된 DIMM 모듈 형태로 제공된다. 칩셋은 CPU와 메인 메모리, 주변 버스 간의 인터페이스를 형성하며, 시스템의 펌웨어나 BIOS를 포함하는 비휘발성 메모리 칩(대부분 플래시 메모리)도 포함된다. 시스템 클록 신호를 생성하여 여러 구성 요소들을 동기화하는 클록 생성기도 포함된다. 확장 카드 슬롯은 칩셋이 지원하는 버스를 통해 시스템과 연결되는 인터페이스를 제공하며, 전원 커넥터는 컴퓨터 전원 공급 장치에서 전력을 받아 CPU, 칩셋, 메인 메모리 및 확장 카드에 전력을 분배한다. 일부 그래픽 카드(예: GeForce 8, Radeon R600)는 마더보드가 제공할 수 있는 전력보다 더 많은 전력을 필요로 하므로, 별도의 커넥터를 통해 전원 공급 장치에 직접 연결된다. 하드 디스크 드라이브, 광 디스크 드라이브 또는 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 저장 장치를 위한 커넥터는 일반적으로 SATA와 NVMe를 지원한다. 또한 거의 모든 마더보드에는 USB를 통한 마우스, 키보드와 같은 일반적인 입력 장치를 지원하는 논리 회로와 커넥터도 포함되어 있다.

 

마더보드는 고속 CPU와 구성 요소들의 높은 열 설계 전력을 고려하여, 열을 방출하기 위한 히트 싱크와 팬 장착 지점을 거의 항상 포함한다.

 

 

 

마더보드는 다양한 크기와 형태인 폼 팩터로 생산되며, 일부는 개별 컴퓨터 제조업체에 맞게 제작된다. 하지만 IBM 호환 시스템에서 사용되는 마더보드는 다양한 케이스 크기에 맞게 설계된다. 2024년 현재 대부분의 데스크탑 컴퓨터 마더보드는 ATX 표준 폼 팩터를 사용하며, 이는 맥킨토시와 썬 컴퓨터에도 적용된다. 컴퓨터 케이스와 마더보드, 전원 공급 장치(PSU)의 폼 팩터는 모두 일치해야 하지만, 같은 가족의 소형 폼 팩터 마더보드는 더 큰 케이스에도 맞을 수 있다. 예를 들어, ATX 케이스는 일반적으로 마이크로 ATX 마더보드를 수용할 수 있다. 랩탑 컴퓨터는 일반적으로 매우 통합되고 소형화된 맞춤형 마더보드를 사용한다. 이로 인해 랩탑 컴퓨터는 업그레이드가 어렵고 수리 비용이 비싸다. 랩탑에서 하나의 부품이 고장 나면 전체 마더보드를 교체해야 하는 경우가 많으며, 이는 데스크탑 마더보드보다 더 비쌀 수 있다.

 

CPU 소켓

CPU 소켓(중앙 처리 장치 소켓) 또는 슬롯은 인쇄 회로 기판(PCB)에 부착되는 전기적 구성 요소로, CPU(또는 마이크로프로세서)를 장착하도록 설계된 소켓이다. 이 소켓은 매우 높은 핀 수를 처리할 수 있도록 설계된 특별한 종류의 집적 회로 소켓이다. CPU 소켓은 CPU를 지지하는 물리적 구조 제공, 히트 싱크 지원, 교체 용이성(비용 절감), 가장 중요한 전기적 인터페이스를 제공하는 기능을 한다. 마더보드에서 CPU 소켓은 주로 데스크탑 컴퓨터와 서버에서 찾아볼 수 있으며(노트북은 일반적으로 표면 실장형 CPU를 사용), 특히 Intel x86 아키텍처 기반 시스템에서 많이 사용된다. CPU 소켓 유형과 마더보드 칩셋은 CPU 시리즈와 속도를 지원해야 한다.

 

통합 주변 장치

집적 회로의 크기와 비용이 지속적으로 감소함에 따라, 마더보드에 많은 주변 장치들을 지원하는 것이 가능해졌다. 많은 기능을 하나의 PCB에 통합함으로써 시스템의 물리적 크기와 총 비용을 줄일 수 있다. 이처럼 고도로 집적된 마더보드는 소형 폼 팩터와 예산형 컴퓨터에서 특히 인기가 있다. 이러한 통합된 주변 장치는 온보드 장치라고도 불린다.

 

SATA 드라이브용 디스크 컨트롤러, 과거 PATA 드라이브용 디스크 컨트롤러 과거 플로피 디스크 컨트롤러 2D 및 3D 그래픽을 지원하는 통합 그래픽 컨트롤러, VGA, DVI, HDMI, DisplayPort 및 TV 출력을 지원 8채널(7.1) 오디오 및 S/PDIF 출력을 지원하는 통합 사운드 카드 LAN 연결 및 인터넷 수신을 위한 이더넷 네트워크 컨트롤러 USB 컨트롤러 무선 네트워크 인터페이스 컨트롤러 블루투스 컨트롤러 컴퓨터 구성 요소의 건강 상태를 모니터링할 수 있는 온도, 전압 및 팬 속도 센서

 

PMIC와 같은 다른 온보드 장치들

주변 카드 슬롯

일반적인 마더보드는 표준과 폼 팩터에 따라 다양한 수의 연결을 제공한다.

 

표준 ATX 마더보드는 일반적으로 그래픽 카드용 PCI-Express x16 슬롯을 두 개 또는 세 개 제공하며, 다양한 확장 카드용 레거시 PCI 슬롯을 하나 또는 두 개, PCI-E x1 슬롯을 하나 또는 두 개 제공한다. 표준 EATX 마더보드는 그래픽 카드용 PCI-E x16 슬롯을 두 개에서 네 개까지 제공하며, PCI 및 PCI-E x1 슬롯의 수는 브랜드와 모델에 따라 달라질 수 있다. 때때로 PCI-E x4 슬롯도 제공될 수 있다.

 

일부 마더보드에는 두 개 이상의 PCI-E x16 슬롯이 있어, 특별한 하드웨어 없이도 두 개 이상의 모니터를 연결하거나 Nvidia의 SLI, AMD의 Crossfire와 같은 특별한 그래픽 기술을 사용할 수 있다. 이를 통해 2~4개의 그래픽 카드를 연결하여 게임, 비디오 편집 등과 같은 고도 그래픽 컴퓨팅 작업에서 성능을 향상시킬 수 있다.

새로운 마더보드에는 SSD 및/또는 무선 네트워크 인터페이스 컨트롤러용 M.2 슬롯이 포함되어 있다.

 

온도와 신뢰성

마더보드는 일반적으로 공랭식으로 냉각되며, 최신 마더보드에서는 더 큰 칩에 히트 싱크를 장착하는 경우가 많다. 냉각이 불충분하거나 부적절하면 컴퓨터 내부 구성 요소가 손상되거나 시스템이 충돌할 수 있다. 1990년대 후반까지는 많은 데스크탑 CPU에 대해 패시브 냉각 또는 전원 공급 장치에 장착된 단일 팬으로 충분했으나, 이후 대부분의 CPU는 클록 속도와 전력 소비의 증가로 인해 히트 싱크에 장착된 CPU 팬을 필요로 했다. 대부분의 마더보드에는 추가 팬을 연결할 수 있는 커넥터와 마더보드 및 CPU 온도를 감지할 수 있는 통합 온도 센서가 있으며, BIOS 또는 운영 체제가 팬 속도를 조절할 수 있는 제어 가능한 팬 커넥터도 제공된다. 컴퓨터는 여러 팬 대신 수냉식 시스템을 사용할 수도 있다.

 

일부 소형 폼 팩터 컴퓨터와 홈 씨어터 PC는 조용하고 에너지 효율적인 작동을 위해 팬 없는 디자인을 자랑한다. 이는 일반적으로 저전력 CPU를 사용하고, 히트 싱크 배치를 허용할 수 있도록 마더보드와 다른 부품들의 배치가 신중하게 설계되어야 한다.

 

2003년 연구에서는 일부 비정상적인 컴퓨터 충돌 및 일반적인 신뢰성 문제(화면 왜곡, I/O 읽기/쓰기 오류 등)가 소프트웨어나 주변 하드웨어 때문이 아니라 PC 마더보드의 노후화된 커패시터 때문임을 발견했다. 궁극적으로 이는 잘못된 전해질 제조가 원인인 '커패시터 재앙'이라는 문제로 밝혀졌다.

 

현대의 마더보드는 마더보드에 분배되는 DC 전원을 필터링하기 위해 전해질 커패시터를 사용한다. 이 커패시터는 온도에 따라 노화 속도가 달라지며, 그들의 수분 기반 전해질이 서서히 증발한다. 이는 용량 감소와 전압 불안정성으로 인한 마더보드 고장을 초래할 수 있다. 대부분의 커패시터는 105°C에서 2000시간의 작동을 견딜 수 있도록 설계되었으나, 온도가 10°C 낮아질 때마다 설계 수명이 대략 두 배씩 늘어난다. 65°C에서 약 3~4년의 수명을 기대할 수 있다. 그러나 많은 제조업체가 불량 커패시터를 제공하여 수명이 크게 단축될 수 있다. 불충분한 케이스 냉각과 CPU 소켓 주변의 높은 온도는 이 문제를 악화시킨다. 상단 팬을 사용하면 마더보드 구성 요소를 95°C 이하로 유지할 수 있어 마더보드 수명을 두 배로 늘릴 수 있다.

 

중급 및 고급 마더보드는 전용 커패시터만을 사용한다. 온도가 10°C 낮아질 때마다 이들의 평균 수명이 약 세 배로 늘어나, 65°C에서의 수명은 일반 커패시터의 6배에 달한다. 이 커패시터는 105°C에서 5000, 10000 또는 12000시간의 작동 시간을 견딜 수 있도록 설계되어 있어, 표준 커패시터와 비교했을 때 예상 수명이 크게 늘어난다.

 

데스크탑 PC와 노트북 컴퓨터에서 마더보드의 냉각 및 모니터링 솔루션은 일반적으로 슈퍼 I/O 칩 또는 임베디드 컨트롤러를 기반으로 한다.

 

부트스트래핑

마더보드는 하드웨어 장치를 초기화하고 외부 장치에서 운영 체제를 부팅하는 펌웨어를 저장하는 ROM(나중에는 EPROM, EEPROM, NOR 플래시)을 포함한다. 부트스트래핑과 부트라는 용어는 "부츠스트랩으로 자신을 들어올리다"는 구절에서 유래했다.

 

Apple II와 IBM PC와 같은 마이크로컴퓨터는 마더보드에 소켓에 장착된 ROM 칩을 사용했다. 전원이 켜지면 중앙 처리 장치(CPU)는 프로그램 카운터에 부트 ROM의 주소를 로드하고 부트 ROM에서 명령어를 실행하기 시작했다. 이 명령어들은 시스템 하드웨어를 초기화하고 테스트하며, 화면에 시스템 정보를 표시하고 RAM 점검을 수행한 후, 외부 장치에서 운영 체제를 부팅하려고 시도한다. 만약 운영 체제가 포함된 외부 장치가 없으면, 컴퓨터는 다른 ROM에 저장된 작업을 수행하거나 오류 메시지를 표시했다. 예를 들어, Apple II와 원래 IBM PC는 Cassette BASIC(ROM BASIC)을 포함하고 있어, 플로피 디스크나 하드 디스크에서 운영 체제를 로드할 수 없으면 그 BASIC을 실행했다.

 

현대 IBM PC 호환 마더보드 설계의 부트 펌웨어는 원래 IBM PC의 부트 ROM처럼 BIOS를 포함하거나 UEFI를 포함한다. UEFI는 BIOS의 후속 버전으로, 마이크로소프트가 Windows 8을 실행할 수 있는 시스템을 인증하기 위해 이를 요구하기 시작하면서 인기를 끌었다.

 

컴퓨터가 켜지면, 부트 펌웨어는 메모리, 회로, 그리고 주변 장치를 테스트하고 구성한다.

 

이 전원 켜짐 자기 진단 테스트(POST)는 다음과 같은 항목들을 테스트할 수 있다:

 

• 비디오 카드
• 슬롯에 삽입된 확장 카드 (예: 기존 PCI와 PCI Express)
• 과거 플로피 드라이브
• 하드웨어 모니터링을 위한 온도, 전압, 팬 속도
• BIOS 구성을 저장하는 CMOS 메모리
• 키보드와 마우스
• 사운드 카드
• 네트워크 어댑터
• 광학 드라이브 (예: CD-ROM 또는 DVD-ROM)
• 하드 디스크 드라이브 및 솔리드 스테이트 드라이브
• 보안 장치 (예: 지문 인식기)
• USB 장치 (예: USB 대용량 저장 장치)