인텔 실버몬트 아키텍처 분석

(* 오래 된 자료인데 티스토리에 올려 놓습니다)

인텔이 마침내 새로운 서막의 시작을 알리는 모바일 아키텍쳐 "실버몬트"를 공개했다.

인텔의 프로세서 라인업 중 최하단에 위치하고 있는 아톰 프로세서 라인업은 최초 2008년 넷북 / 넷탑 전용으로 설계된 45나노 본넬(Bonell) 이후 본넬 아키텍쳐의 32나노 버전인 솔트웰(Saltwell)에 이어지는 새로운 아키텍쳐로 현재 인텔의 CORE 프로세서(아이비브릿지)에 적용되고 있는 22나노 트라이게이트(핀펫)공정으로 제조되는 독보적인 최첨단 아키텍쳐다. 

실버몬트는 인텔이 그 동안 큰 힘을 발휘하지 못했던 모바일 시장 장악의 서막을 알리는 아키텍쳐로 그 동안의 아톰 프로세서와는 격이 다른 설계를 나타내고 있다.

 

 

그 세부 내용을 보면, 가장 큰 특징은 기존 아톰이 인 오더(In Order=순차 명령 실행) 방식인것에 비해 실버몬트는 일반 PC 프로세서에 적용되고 있는 아웃 오브 오더 (Out of Order=OOO 형태, 분기 예측에 기반한 비순차 명령 실행)로 변경됐다는 점이다. 이것은 기존 아톰 프로세서는 아키텍쳐 자체의 변화가 없었기 때문에 전력 효율 상승을 위해 명령을 순차적으로 처리할 수 밖에 없었고, 이를 보완하기 위해 동시에 2개의 스레드를 처리하는 SMT를 적용해 명령 실행 효율을 높이는 방법을 사용했다. 그러나 이 방법은 아키텍쳐의 변화 없이는 일시적인 대안밖에 되지 못했고 경쟁사의 모델에 비해 특별한 경쟁력을 나타내지는 못했다. 

이후 인텔은 실버몬트에 OOO 형태를 적용하고, 이에 따른 유닛 추가와 아키텍쳐 설계가 복잡해졌지만 전 세계에서 유일하게 상용하고 있는 3D 핀펫 기술과 새로운 전력 컨트롤 설계를 적용해 전력소모를 줄이면서 퍼포먼스를 끌어올리는데 성공하게 된다. 따라서 OOO 도입에 따라 기존 본넬과 솔트웰에 불가결하게 적용했던 SMT 기술은 실버몬트에서는 제거됐다. 

물론 분기 예측한 기반한 아웃 오브 오더 (Out of Order=OOO)방식은 말 그대로 분기를 예측하고 미리 준비하는 체계로 분기 예측에 실패했을경우 불 필요한 프로세스에 따른 전력 소모를 발생시키는 결과를 주기 때문에 가장 중요한 부분은 이 분기 예측 유닛(설계)의 정확도가 중요하다. 인텔이 세부적으로 실버몬트의 분기 유닛이 어느정도의 히트율을 달성했는지는 밝히지 않고 있지만 대폭으로 감소된 전력 소모는 이전 모델보다 확실히 개선된 것은 틀림없는 부분이다.  

 

※ 분기 예측 (Branch prediction) : 명령에 따라 발생된 분기를 미리 예측, 그 계산에 필요한 주소나 명령을 준비해두는 것. 예측이 벗어난 경우 손실이 발생하기 때문에 예측 알고리즘(유닛)의 정밀도가 중요

 

 

실버몬트는 OOO 적용과 동시에 기존 아톰에는 없었던 명령어와 기술을 대거 투입하고 있다. 새로운 명령어 및 기술은 AES-NI, SSE 4.1, SSE 4.2, Intel VT-x2, Real Time Instruction Tracing, PCLMULQDQ, LBR filtering, SMEP 등이 추가되고 있으며 추가된 명령과 기술들을 살펴보면 인텔이 실버몬트 아키텍쳐부터 아톰을 스마트폰과 태블릿, 마이크로 서버등 저전력 프로세서를 요구하는 다양한 시장을 타겟으로 하고 있는 점을 확인할 수 있다.   

 

AES-NI	AES 암호화/해독 명령
PCLMULQDQ	AES-GCM의 처리 성능을 향상
Intel Secure Key	랜덤 번호 생성 명령
VMFUNC	새로운 EPT pointer를 로드
SSE 4.1	SSE 4.1, 추가된 47개의 명령
SSE 4.2	SSE 4.2, 추가된 7개의 명령
Intel VT-x2	페이지 테이블 확장
Real Time Instruction Tracing	휴대 전화의 debug 등에 이용할 수 있는 실행 코드
Intel OS Guard	애플리케이션 코드를 이용한 OS 공격을 방지
TSC Deadline Timer	보다 정확한 타이머 가능
LBR Filtering	LBR(Last Branch Record) 필터링

 

 

이러한 다양한 시장을 타겟으로 하고 있는 부분은 코어 설계에도 명확하게 나타나고 있다. 실버몬트는 각각의 코어를 모듈로 설계해 2개의 연산 코어와 1MB의 L2캐쉬가 1개의 모듈로 구성되고, 이러한 모듈 단위를 필요로 하는 퍼포먼스에 맞춰 1코어에서 8코어까지 손쉽게 확장이 가능하도록 설계되고 있다. 이러한 설계는 많은 코어를 필요로 하는 마이크로 서버 타겟은 8코어까지, 전력에 맞는 적절한 성능을 필요로 하는 스마트폰이나 태블릿 타겟으로는 싱글 코어부터 쿼드코어까지 유연하게 적용할 수 있기 때문에 저전력을 필요로 하는 모든 시장을 고려하고 있다는 점을 확인할 수 있다.

또, 각각의 연산 유닛과 직결되어 있는  L1 캐시는 32KB의 명령 캐시와 32KB의 데이터 캐시로 구성되며 총 64KB의 L1캐시가 탑재되고 있다. L1 캐시는 전체적인 연산 성능을 끌어올리기 위해 연산 유닛의 캐시 액세스 지연 시간이 감소됐고, 메모리 트랜잭션 매커니즘도 적용하면서 동시에 여러 단계에서 다발적인 분기 예측이 가능하게 되어 프로세스 성능 향상에 일조하고 있다. 

 

 

 

 

또한 실버몬트에는 기존 코어 프로세서에 탑재되고 있는 터보 부스트와 비슷한 맥락을 확장한 버스트 모드가 적용되고 있다. 세부적으로 SoC에 탑재된 CPU 코어와 내장 GPU가 유동적으로 동작하는 것으로, GPU를 별로 사용하지 않는 상태에서는 CPU의 클럭 주파수를 끌어올려 CPU 성능을 집중하거나 반대로 CPU를 별로 사용하지 않는 상태에서는 GPU의 클럭을 상승시켜 퍼포먼스를 끌어올린다.

또, 상황에 따라 각각의 CPU / GPU 코어도 하나의 코어 성능을 올리거나 또는 두개 코어 모두 올리거나 내릴수 있는 CPU와 GPU 각각의 코어 단위를 유연하게 컨트롤이 가능해 ARM의 빅리틀 기술을 비웃듯 네이티브로서 완벽하게 구현하고 있다.   

이러한 동작 방식은 각각의 디바이스(스마트폰/태블릿)의 규정 온도(스로틀링)에 맞춰 동작되고, 각각의 디바이스가 어느 정도의 쿨링에 맞춘 최적화 설계를 하느냐에 따라 달라지게 될 것으로 보인다. 

 

 

이러한 인텔의 강력한 실버몬트 아키텍쳐는 전세계에서 유일하게 인텔만이 상용하고 있는 22나노 3D 핀펫 기술로 제조된다. 핀펫은 2차원 평면 소자구조 크기를 작게 하는데 한계에 부딪혀 단 채널 효과를 줄이고 작동 전류크기를 증가시키기 위해 전류의 흐름을 제어하는 게이트를 마치 물고기 등지느러미(fin)와 같은 구조로 쌓아올려 총 3개의 게이트를 지느러미 형태로 구현한 것.

인텔은 PC 프로세서에 핀펫의 최초 도입으로 전력 효율을 상승시키면서 퍼포먼스를 끌어올리는데 성공하게 됐고, 이 기술을 모바일 프로세서 최초로 실버몬트에 적용하여 다양한 아키텍쳐 일신에도 전력소모를 줄이는데 크게 공헌하고 있다. 

 

 

인텔은 이미 미국 오레곤과 애리조나, 아일랜드 지역에 있는 팹에 최첨단 14나노 공정을 위한 양산 체제가 거의 마무리 단계로 진행되고 있고, 올해초부터 40억 달러를 투자해 아일랜드에 신규 14나노 팹 건립이 진행되고 있다. 이행되는 최첨단 14나노 공정은 1세대 트라이게이트 트랜지스터를 개량한 2세대 3D 핀펫 기술과 트리플 패터닝 기술이 적용되고, 기존 ArF 액침 노광은 계속 사용할 것으로 전망되고 있다. (인텔의 14나노 세부 기술은 아직 미공개)   

이러한 인텔의 동향과 발표한 로드맵을 보면 인텔의 PC용 주력 프로세서는 올해까지 22나노 프로세스가 유지되고, 일부 프로세서(브로드웰등)은 연말부터 14나노를 적용한 양산이 실제로 시작, 이후 인텔은 2019년까지 단계적으로 10나노, 7나노, 5나노 공정을 도입하여 반도체 기술의 리딩 이노베이터로서의 역할을 계속해 나갈 예정이다.

이것은 ARM 프로세서를 생산하는 파운드리 업체들이 아직까지 28나노 공정으로 AP를 제조하고 있는것과 비교하면 인텔은 격차를 줄일 기회도 주지 않고 독주를 계속하고 있다.

 

 

 

 

이처럼 인텔은 타 경쟁 기업이 접근할수 없는 압도적인 프로세서 아키텍쳐 기술과 이를 받쳐주는 압도적인 최첨단 제조 공정으로 진보를 계속하고 있다. 실버몬트를 적용한 프로세서는 마이크로 서버 타겟의 아보톤과 태블릿 타겟의 베이트레일, 스마트폰 타겟의 메리필드와 네트워크 장비 타겟의 랭글리에 각각 적용된다.

이미 마이크로 서버 시장 타겟의 아보톤 프로세서는 공식 발표가 끝나 상용화가 시작됐고, 태블릿용 베이트레일 프로세서는 현재 디바이스 제조사의 테스트가 진행되고 있어 공식 시장 발매는 연말 판매 경합 시즌을 타겟으로 하고 있다. 또, 스마트폰 타겟의 메리필드 프로세서는 내년(2014년)부터 이 프로세서를 탑재한 스마트폰들이 출시될 예정으로 저전력을 요구하는 모든 시장에 실버몬트 아키텍쳐가 적용되며 2014년에는 한 단계 더 진보된 14나노의 2세대 3D 핀펫 기술로 이행된다.(코드명 에어몬트=실버몬트의 14나노판)

 

 

 

이번에 선보인 인텔의 모바일 "콘로" 실버몬트는 그 동안 인텔이 부진했던 모바일 시장의 강력한 무기로서 새로운 시대의 서막을 알리며 모바일 디바이스 제조사의 ARM 아키텍쳐를 사용해야 하는 근거를 파기, PC 시장을 넘어 모바일 시장까지 장악하기 위한 "IT 통합 인텔 인사이드" 시대에 한발작 더 다가서고 있다.