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CPU에서 더 높은 성능을 얻는 방법 중 하나는 작동 클록을 높이는 것입니다. 하지만 작동 클록을 무작정 높이는 것은 높은 온도, 소비전력이 뒤따라 오기 때문에 좋은 방법이 아니죠. CPU 제조사들은 온도, 소비전력 그리고 작동 클록 간의 최적의 밸런스를 찾기 위해 다양한 노력을 기울였습니다.
그중 하나가 CPU 클록 부스트 기술입니다. CPU의 작동 클록을 유동적으로 조절, 필요시에는 가능한 높은 클록으로 성능을 극대화하는 방법이죠. 이러한 CPU 클록 부스트 기술에는 정말 다양한 종류가 있습니다. 이번 칼럼에서는 인텔과 AMD, 각 제조사별 CPU 클록 부스트 기술에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
먼저 인텔의 기술을 알아보도록 하겠습니다. 인텔의 대표적인 CPU 클록 및 전력 관리 기술로 Turbo Boost Technology가 있습니다. 인텔 Turbo Boost Technology는 CPU에 가해지는 부하에 따라 CPU 클록을 동적으로 제어하는 기술입니다. 부하가 적을 땐 기본 클록 혹은 그 이하로, 부하에 따라 클록을 더 높여 작동하죠. 여기서 클록을 더 높일 때는 시스템의 전력 공급 능력과 그리고 쿨링 솔루션이 감당 가능한 범위에서 조절됩니다.
현재 Turbo Boost Technology는 2.0과 3.0이 혼용되어 사용되고 있습니다. 대부분 2.0이, 일부 제품에 3.0 기술이 적용되었습니다. 3.0은 2.0 보다 개별 코어가 더 높은 클록에 달성할 수 있게 합니다. 인텔은 이 터보 부스트 3.0 기술이 터보 부스트 2.0 대비 최대 15% 더 높은 싱글스레드 성능을 보여준다고 설명합니다.
이 Turbo Boost Technology는 인텔 CPU에서 자주 이야기되는 '전력 제한 해제'와 연관 있습니다. 바로 PL1과 PL2 수치 때문이죠. 인텔 클록 부스트에는 총 4단계의 PL(Power Limit), 전력 제한 수치가 존재합니다. PL1부터 PL4까지 있죠.
*PL1(Power Limit 1): 평균 소비 전력의 상한선
*PL2(Power Limit 2): 해당 제한 값을 초과할 경우 PL2 값 이상으로 전력이 튀지 않도록 제한
*PL3(Power Limit 3): 해당 제한 값을 초과할 경우 PL3 값 이상으로 전력이 튀지 않도록 클록을 제한 (*기본적으로 비활성화)
*PL4(Power Limit 4): 해당 제한 값을 초과하지 못하도록 클록을 제한 (*기본적으로 비활성화)
*Tau(Turbo Time Parameter): PL1 값 이상, PL2 값 이하만큼 전력을 쓸 수 있게끔 제어하는 단위(초)
인텔 CPU 8세대, 9세대를 거치면서 8개 이상의 코어 수와 5.0 GHz를 넘는 높은 클록 스펙, 그리고 이를 위해 PL1과 PL2의 차이가 커졌습니다. 이러한 PL1, PL2 간의 큰 차이는 각 구간에서 작동하는 CPU 클록의 차이를 만들어냅니다. PL2는 PL1 값의 1.25배를 적용하고 있는데, 인텔 9세대 CPU부터는 거의 2배에 이르는 값을 기본 PL2 값으로 설정하고 있습니다.
앞서 설명한 것처럼, PL1과 PL2의 큰 격차는 각 구간의 CPU 작동 클록의 차이를 만들어냅니다. PL2 구간일 때와 PL1 구간일 때의 성능 차이가 많이 나게 되니 소비자들 사이에서 '전력 제한 때문에 CPU 성능을 온전히 못쓰고 있다'고 전해지면서 이러한 PL1 및 PL2 제한을 풀어버리는 '전력 제한 해제' 세팅이 필수처럼 여겨지고 있습니다. 이러한 인식이 널리 퍼지면서, 아예 메인보드 자체에서 인텔 스펙 값을 준수하는 대신, 이 PL1/PL2 값 제한을 풀어버리는 전력 제한 해제 세팅을 기본 값으로 하는 제품도 많이 보이고 있습니다.
i9 10900K의 기본 세팅 / 전력 제한 해제 세팅간의 클럭 차이 (자료: Linus Tech Tips)
i9 10900K의 기본 세팅 / 전력 제한 해제 세팅간의 전력 소모 차이 (자료: Linus Tech Tips)
터보 부스트 기술 말고도 ABT(Adaptive Boost Technology)와 TVB(Thermal Velocity Boost)가 있습니다. 두 기술 모두 CPU 온도와 전원부 등, 시스템 여유가 있을 때 터보 부스트를 통한 클록 상승에서 추가적으로 클록을 더 끌어올린다는 점에서 비슷한 기술이지만 적용되는 조건이 다릅니다.
TVB는 CPU 온도가 70 ℃ 이하일 때, 그리고 전력 여유가 있을 경우 기존 Turbo Boost 스펙보다 최대 100 MHz 더 클록을 끌어올릴 수 있습니다. ABT도 전력 여유가 있을 때 Turboo Bost 보다 클록을 더 끌어올릴 수 있다는 것은 동일하지만, 온도 조건이 100 ℃ 이하로 더 여유롭고, 클록 상승폭도 TVB의 100 MHz 보다 더 높이 끌어올릴 수 있습니다.
다음으로 AMD입니다. AMD 클록 상승 기술에는 크게 XFR(eXtended Frequency Range)과 PB(Precision Boost)가 있습니다.
대부분 CPU에는 '부스트 클록 4.3 GHz' 같은 정해진 스펙이 있습니다. 보통은 이 명시되어 있는 부스트 클록을 최대 한도로 하여 CPU 클록이 조정됩니다. 명시된 클록보다 더 높은 클록을 넣으려면 오버클록이 필요하죠. 하지만 AMD에는 XFR을 통해 이를 넘을 수 있게 했습니다. CPU 온도, 그리고 전력 여유가 있다면 스펙에 적혀있는 부스트 클록보다 더 높은 클록을 얻을 수 있는 기술입니다.
하지만 라이젠 1000 시리즈에 적용된 이 XFR 기능은 1~2개 스레드 부하 환경에서만 추가적인 클록 상승이 가능했다는 한계가 있었습니다. 라이젠 2000 시리즈부터 적용된 XFR 2에서는 이러한 단점을 해소해 멀티스레드 부하에서도 CPU 온도, 전력이 허용하는 범위에서 당초 스펙보다 더 높은 클록을 얻을 수 있게 했죠.
AMD의 XFR은 일체형 수냉 쿨러처럼 좋은 쿨링 솔루션을 사용하면 기본 쿨러를 쓸 때보다 7%가량 멀티스레드 성능 향상을 얻을 수 있다고 설명했습니다. 이러한 방식으로 사용자로 하여금 쿨링 솔루션에 더 투자할 수 있게 유도했습니다.
다음으로 프리시전 부스트(Precision Boost)입니다. 프리시전 부스트는 CPU가 온도, 전력, 부하 등 여러 요소를 분석하고 능동적으로 CPU 클록을 상승시킨다는 맥락에서 인텔 Turbo Boost와 비슷합니다. 다만 프리지선 부스트는 25 MHz 단위로 클록을 조정합니다.
CPU는 보통 100 MHz 단위로 클록을 조절합니다. AMD 프리시전 부스트는 이보다 미세한 25 MHz 단위로 CPU 클록을 조절할 수 있어 더 섬세하게 CPU에 맞추어 튜닝을 할 수 있죠.
얼마나 많은 코어 수가 부하를 받느냐에 따라 CPU 클록을 크게 차이가 나는 경우가 많습니다. 예를 들어 1~2개 코어를 활용하는 경우 5.0 GHz로 작동하는데, 그보다 많은 코어를 쓰는 경우 4.5 GHz, 4.0 GHz와 같이 더 낮은 클록에서 작동하는 경우가 있죠. 싱글 부스트 클록과 올코어 부스트 클록 차이가 많이 나는 것이 CPU 클록 관리에서 단점으로 꼽히곤 합니다. 이는 라이젠 1000 시리즈의 프리시전 부스트 1도 그러했죠. 라이젠 2000 시리즈로 오면서 프리시전 부스트 2(PB2)로 이를 해결하고자 했습니다.
급격한 클록 변화 대신, 선형적인 부스트 프로파일을 적용했죠. 이를 통해 그림의 청색 영역만큼 추가적인 클록 상승, 성능 향상을 얻을 수 있었습니다.
앞서 설명한 기능도 좋지만, 여전히 사용자는 더 높은 성능을 위해 오버클록을 진행하곤 합니다. AMD는 여기서 지능형 오버클록 기능, PBO(Precision Boost Overdrive) 기술을 라이젠 3000 시리즈에서 선보였죠.
CPU 클록 부스트를 위해서는 크게 세 가지 요소가 고려됩니다. CPU 온도, CPU 전력 소모, 그리고 전원부의 전력 공급이죠. CPU 전력 소모와 전원부 역량을 모두 활용하는 것은 시스템 안정성이나 효율 면에서 좋은 방법이 아니기 때문에, 기본적으로는 아래 그림처럼 작은 범위에서 클록 조절이 이루어집니다.
PBO는 CPU의 PPT, TDC, EDC 수치를 조정해 이 삼각형 범위를 더 넓게 세팅해 자동적으로 오버클럭을 할 수 있게 도와줍니다. 간단하게 PBO를 통한 오버클록으로 더 높은 성능을 쉽게 얻을 수 있게 되었습니다.
*PPT(Package Power Tracking): CPU에 공급할 수 있는 전력(W) 제한 수치
*TDC(Thermal Design Current): 메인보드 전원부가 CPU에 공급할 수 있는 최대 전류(A) 수치
*EDC(Electrical Design Current): 메인보드 전원부가 CPU에 공급할 수 있는 피크 전류(A) 수치
이러한 자동 오버 기능, PBO는 라이젠 5000 시리즈와 함께 PBO 2로 더욱 진화했습니다. PBO 1은 훌륭한 성능 향상을 얻어냈지만 이는 주로 멀티코어 성능 위주였습니다. 실제 게이머들에게는 이 멀티코어 성능보다 싱글코어 성능이 더 중요하기 때문에 PBO 2에서는 이 싱글코어 성능을 보다 극대화할 수 있게 진화했습니다. 그리고 함께 등장한 것이 커브 옵티마이저(Curve Optimizer)죠.
이 커브 옵티마이저는 PBO 2의 핵심 기능입니다. CPU 언더볼팅 기능으로, CPU 전력 소모를 줄이고 성능을 보다 극대화 하는 기능입니다. 이를 통해 라이젠 9 5900X은 2% 싱글 성능 향상, 최대 10% 멀티 성능 향상을 얻었다고 AMD는 주장했습니다. 이 커브 옵티마이저도 PBO 기능의 일부이기 때문에 적용 시 AMD 보증을 벗어나는 것은 동일합니다.
지금까지 인텔과 AMD의 CPU 부스트 클록 기술을 살펴보았습니다. 이러한 부스트 클록 기술의 차이를 보고 있으면, 두 회사의 경향 차이를 엿볼 수 있기도 합니다.
인텔은 Turbo Boost Technology를 통해 정해진 PL 값을 기반으로 CPU 제어를 하고 시스템 여유가 있으면 ABT와 TVB로 추가적인 성능 향상을 도모하는 반면, AMD는 프리시전 부스트의 선형적 프로파일을 통해 부하 증가에 따른 클록 하락을 최소화하면서 PBO를 통해 가능한 최대한의 성능을 끌어올리려 하고 있습니다.
물론 두 회사의 이러한 서로 다른 접근법 중에 정답은 없습니다. 서로 향하는 지향점이 다르다고 보여지죠. 다만 인텔의 경우 메인보드 자체적으로 PL 세팅을 풀어버리는 등, 전력 제한 세팅이 프로세서 기본 스펙 값으로는 프로세서의 성능을 온전히 끌어내지 못하는 경향이 있습니다.
인텔의 Turbo Boost, ABT, TVB를 비롯해 AMD의 XFR, PBO 등의 다양한 내용이 이번 칼럼을 통해 정리가 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다.
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CPU의 성능을 끌어올려주는 부스트 클록 기술
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