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A big.LITTLE Problem: AMD는 하이브리드 칩 설계에서 Intel, Arm을 앞서기 위해 분발해야 함

QM건빵

16 1471 5 2024.05.23 11:02

<div align="center"><table align="center" class="__se_tbl" style="border-width: 1px 1px 0px 0px; border-style: dashed dashed none none; border-color: rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199) currentColor currentColor;width:800px;max-width: 100%" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" attr_no_border_tbl="1"><tbody><tr><td width="800" style="border-width: 0px 0px 1px 1px; border-style: none none dashed dashed; border-color: currentColor currentColor rgb(199, 199, 199) rgb(199, 199, 199);"><img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2024/05/23/cc7ebd75130ec9f608984079ea6b8639.webp" alt="퀘이사존">     PC용 프로세서는 끊임없이 진화하고 있으며, 획기적인 새로운 칩 설계를 도입하는 것은 항상 큰 도전입니다. 하지만 스마트폰 시장에서 큰 성공을 거둔 Arm의 하이브리드 big.LITTLE 설계 철학은 지난 10년 동안 가장 중요한 성공 사례 중 하나였습니다.     이 설계는 수년간 모바일 장치의 성능과 효율성을 향상시키는 데 기여해 왔습니다. 우리는 2021년 인텔이 "Alder Lake" 프로세서로 유사한 설계 방식을 도입했을 때도 비슷한 이점을 관찰할 수 있었으며, 이는 인텔이 지금까지 이룬 가장 큰 아키텍처 패러다임 전환 중 하나였습니다.

    AMD는 최근 몇 년 동안 자체 혁신적인 프로세서 설계로 성공을 거두었으며, 특히 "칩렛" 혁신으로 주목받았습니다. 그러나 AMD는 자체 하이브리드 big.LITTLE 칩 설계를 채택하는 데 있어서는 다소 늦은 편입니다. AMD가 이와 관련된 일부 노력을 기울였지만, 진정한 big.LITTLE 제품을 출시하지는 않았습니다.     이는 AMD의 차세대 프로세서에서 변화할 수 있겠지만, 그 전에 AMD가 왜 진정한 big.LITTLE 설계가 필요한지, 그리고 그 설계가 어떤 모습일지에 대해 논의해 보겠습니다.


    big.LITTLE이란 무엇이며 왜 중요한가요?
    먼저 big.LITTLE 스타일의 하이브리드 프로세서 설계가 무엇인지에 대해 이야기해 봅시다. 지난 50년 동안의 프로세서 설계는 각기 고유한 장점을 가지고 있습니다. 중앙처리장치(CPU)는 종종 다재다능한 범용 장치로 설계되지만, 모든 일을 잘하는 사람은 결국 어느 것 하나 뛰어나지 않은 경우가 많습니다. 그래서 우리는 슈퍼컴퓨터용으로 설계된 강력한 프로세서와 스마트폰이나 태블릿 같은 저전력 장치용으로 설계된 덜 강력하고 에너지 효율적인 프로세서를 보게 됩니다.

    하이브리드 프로세서 설계는 이러한 추세를 벗어나 두 개의 별도 프로세서 아키텍처를 사용하는 방식으로 이 문제를 해결합니다. 각 아키텍처의 강점이 다른 아키텍처의 단점을 보완하여 특정 상황에서 단점을 상쇄합니다. 이를 설명하기 위해 Arm과 Intel의 설계를 간단히 살펴보겠습니다.

    Arm은 2011년에 Cortex A15 코어와 Cortex A7 코어를 결합하여 big.LITTLE 하이브리드 설계 개념을 시작했습니다. Arm은 자사의 설계를 라이선스하기 때문에, 이 설계를 기반으로 한 제품은 2013년에 Mediatek, Qualcomm, 삼성 등이 스마트폰 SoC에 처음 구현하면서 등장했습니다. Cortex A7 코어는 매우 에너지 효율적이지만 속도 면에서는 상대적으로 부족했습니다. 반면에 Cortex A15 코어는 Cortex A7보다 훨씬 더 높은 성능을 제공했지만, 전력 소모가 컸습니다.

    실제로는 배터리 수명을 보존하기 위해 가능한 한 Cortex A7 코어를 많이 사용하도록 하였고, 이는 시간 확인, 문자 메시지 전송, 이메일 작업 등 간단한 작업에는 많은 성능이 필요하지 않기 때문에 잘 작동했습니다. 더 높은 성능이 필요한 경우에는 Cortex A15 코어가 활성화되었으며, 게임을 하거나 멀티태스킹을 할 때 사용되었습니다. 추가로, 일부 설계는 더 높은 성능이 필요할 때 모든 코어를 동시에 사용할 수 있게 했습니다.

    Intel은 2021년 첫 하이브리드 설계를 도입할 때 비슷한 방식을 채택했습니다. 코드명 Alder Lake인 이 설계는 모든 Alder Lake 프로세서에 하이브리드 설계가 적용된 것은 아니지만, 적용된 프로세서는 고속 성능 코어(P-코어)와 전력 절감 효율 코어(E-코어)를 혼합하여 사용했습니다.     여전히 사용되고 있는 이 설계는 Arm의 big.LITTLE과 마찬가지로 E-코어를 사용하여 전력을 절약하고, 필요시 P-코어(또는 모든 코어)를 사용하여 더 높은 성능을 얻는 것을 목표로 합니다.     Intel CPU 내부의 P-코어는 이전 세대 Intel Core 프로세서에서 사용된 CPU 코어의 직접적인 연장선상에 있습니다. 반면, E-코어는 Intel의 Atom 프로세서 라인에서 발전한 것입니다. Atom 코어는 컴팩트한 노트북, 태블릿, 심지어 스마트폰을 위해 설계되었기 때문에 P-코어와 함께 새로운 역할에서 잘 작동했습니다.     하나 이상의 프로세서 아키텍처의 강점을 활용하는 것 외에도, 하이브리드 big.LITTLE 프로세서 설계에는 전체 코어 수와 비용 측면에서 다른 장점이 있습니다. 효율성 코어는 일반적으로 고성능 코어보다 훨씬 작고 트랜지스터 수가 적습니다. 이는 생산 비용을 절감할 수 있게 해주며, 칩 웨이퍼에서 차지하는 공간이 적어져 웨이퍼당 더 많은 칩을 생산할 수 있게 합니다. 이를 통해 규모의 경제를 실현하여 칩당 가격을 낮출 수 있습니다.

    이러한 작은 칩 크기는 Intel이 프로세서의 전체 코어 수를 증가시켜 더욱 빠른 성능을 얻을 수 있게 해주었습니다. 특히, 멀티스레드 애플리케이션에서 그 효과가 두드러집니다.     이는 중요한 세부 사항인데, 작은 코어 하나는 큰 코어 하나와 성능 면에서 맞먹지 못할 수 있지만, 작은 코어는 공간을 적게 차지하므로 일반적으로 큰 코어 하나가 차지하는 공간에 여러 개의 작은 코어를 배치할 수 있습니다. 아래의 도식에서 볼 수 있듯이, Intel은 네 개의 E-코어가 하나의 P-코어와 대략적으로 유사한 크기를 가진다고 설명합니다.
 <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2024/05/23/f8790d02b58f4455060fc7d39e780648.webp" alt="퀘이사존"> 
    성능 면에서 보면, P-코어 하나는 단일 스레드 작업에서 훨씬 빠르지만, E-코어 여러 개가 함께 작동하면 멀티스레드 작업에서는 P-코어 하나보다 더 높은 성능을 발휘할 수 있습니다. 본질적으로 이는 몇 개의 P-코어를 더 많은 수의 E-코어로 교체함으로써 칩 크기를 키우지 않고도 전체 성능을 향상시키고 생산 비용을 크게 증가시키지 않으려는 전략입니다. 이러한 전략은 Intel의 최근 프로세서 설계에서 유리하게 작용하여 일부 제품의 가격 경쟁력과 전체 코어 수 면에서 우위를 점하게 했습니다.     AMD의 현재 big.(그렇지 않은)LITTLE 칩들     AMD의 첫 번째 big.LITTLE 코어 설계 시도는 Arm과 Intel의 시도와 흥미로운 방식으로 차별화됩니다. Arm과 Intel은 고성능을 최적화한 big 코어와 고효율을 최적화한 little 코어를 사용한 완전히 다른 프로세서 설계를 채택한 반면, AMD는 대체로 동일한 아키텍처를 사용했습니다. 이를 위해 AMD는 기존의 Zen 4 프로세서 아키텍처를 약간 수정하여 Epyc 9004 Bergamo 시리즈 서버 프로세서와 함께 도입된 새로운 Zen 4c 아키텍처를 만들었습니다.

    Zen 4c CPU 코어는 Zen 4 코어보다 약 35% 더 작다고 합니다. 이는 주로 프로세서의 일부를 더 촘촘하게 구성하고, 코어당 L3 캐시를 4MB에서 2MB로 줄여서 달성했습니다. AMD는 Zen 4와 Zen 4c 아키텍처가 동일한 성능을 제공한다고 주장하지만, 저는 이에 대해 완전히 신뢰하기는 어렵습니다.     왜냐하면 추가된 캐시가 게임과 같은 일부 상황에서 일반 Zen 4 CPU 코어에 이점을 줄 가능성이 높기 때문입니다. 그러나 이는 Epyc 프로세서에서 실행되는 하드웨어를 구매하는 서버 고객에게는 큰 문제가 되지 않을 것입니다. <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2024/05/23/072d6c312740c3bf998f715dd2a0c571.webp" alt="퀘이사존">

    Zen 4c CPU 코어는 이후 모바일 및 데스크탑 시장에 출시되었습니다. 이 프로세서에서는 Zen 4c CPU 코어가 표준 Zen 4 CPU 코어 및 Radeon 그래픽 프로세서와 결합된 단일 칩 솔루션으로 제공됩니다. 이 칩들도 상당한 양의 L3 캐시를 가지고 있습니다. 칩마다 다르지만, 모든 경우에 Epyc 프로세서의 코어당 2MB보다 많습니다.     이러한 칩의 더 큰 캐시 풀로의 전환은 게임용으로 사용될 수 있고 상대적으로 성능이 좋은 통합 그래픽 프로세서(IGP)가 내장되어 있기 때문에 타당하지만, 이 칩들도 그렇게 작지는 않을 것입니다. 이 제품들에서는 Zen 4와 Zen 4c 코어 간의 차이가 더 적을 것입니다.

    이 새로운 제품들은 흥미롭지만, Arm과 Intel이 제시한 big.LITTLE 설계와는 동일하지 않으며, AMD의 설계 결정에는 몇 가지 주목할 만한 결과가 있습니다. 긍정적인 측면에서는, AMD의 설계는 다른 코어 간의 성능 불일치를 크게 피할 수 있다는 점입니다. 이는 다른 설계에서는 볼 수 없는 특징입니다.

    Intel은 고성능 P-코어와 고효율 E-코어가 동일한 수준의 성능을 발휘하지 않는다는 점을 분명히 하고 있습니다. E-코어는 P-코어나 AMD의 Zen 4 CPU 코어와 동일한 수준의 성능을 발휘하도록 설계되지 않았습니다. 이는 최신 Intel CPU와 AMD CPU 간에 코어 수가 동일할 때, 일반적으로 AMD CPU가 더 빠르게 성능을 발휘할 것으로 예상할 수 있다는 것을 의미합니다. <img src="https://img2.quasarzone.com/editor/2024/05/23/a69f326a652a50c32fe2e3e74a4ed0c8.png" alt="퀘이사존">     물론 이는 면밀히 살펴봐도 마찬가지입니다. 16코어 인텔 코어 i7-13700K와 16코어 AMD Ryzen 9 7950X를 살펴보면, 7950X가 CPU 중심적인 작업에서 더 빠르다는 분명한 징후를 확인할 수 있습니다. 7950X는 여러 테스트에서 차례로 Core i9-13900K를 앞섰지만, 이는 주로 13900K가 8개의 추가 E-코어와 함께 출시되어 총 코어 수가 24개까지 늘어났기 때문입니다. 7950X에는 표준 Zen 4 코어만 있기 때문에 최상의 비교는 아니지만, 7950X의 코어 중 절반이 Zen 4c 코어라고 해도 결과는 크게 달라지지 않을 것입니다.
    첫눈에는 AMD의 설계가 우수하다고 생각될 수 있지만, 왜 칩 제조업체가 처음부터 big.LITTLE 디자인을 도입하는지를 고려해 보십시오. 이 모든 것은 성능, 비용 및 효율성과 관련이 있습니다.

    AMD의 Epyc 프로세서에서는 16개의 Zen 4c 프로세서 코어를 8개의 Zen 4 프로세서 코어가 차지하는 공간보다 조금 큰 공간에 담을 수 있습니다. 이는 인상적이지만, 실제로 더 작고, 더 에너지 효율적이며, Zen 4c 코어보다 생산 비용이 적은 진정한 소형 프로세서 코어로 이동하는 것이 AMD에 이점을 줄 것으로 예상됩니다.     오래된 리틀 코어가 돌아올 수 있을까요?     AMD가 진정한 big.LITTLE 디자인 체계을 갖춘 새로운 아키텍처를 개발 중인지 확실하게 말하기는 어렵습니다. 이러한 디자인이 Arm과 Intel에게 이점을 제공한 것은 확실하지만, 기술 산업은 멈추지 않으며, AMD는 의심할 여지 없이 새로운 아이디어를 가지고 있어서 이를 통해 이득을 얻기를 희망합니다. 그러나 AMD가 새로운 리틀 코어를 만든다면 몇 가지 유망한 시작점이 있을 것으로 보입니다.

    AMD에게 있어 현대적인 고효율 소형 프로세서 코어의 가장 유망한 시작점은 아마도 이제는 오래된 "Jaguar" 아키텍처로 돌아가는 것입니다. AMD는 원래 이러한 설정을 기반으로 한 프로세서를 태블릿과 얇은 클라이언트 노트북용으로 설계했지만, Jaguar 코어는 또한 마이크로소프트의 Xbox One과 소니의 PlayStation 4 게임 콘솔 내부에서도 사용되었습니다.     Jaguar 아키텍처는 현대 프로세서의 소형 코어로 사용하기에는 너무 오래되었지만, Zen 4의 몇 가지 디자인 요소를 모던화하고 새로운 제작 공정으로 이동시킬 수 있습니다.

    또 다른 대안으로, AMD는 처음부터 새로운 코어를 디자인하거나 Zen 4c 아키텍처를 더 단순화하여 소형 코어를 만들 수 있습니다. 어떤 옵션이 가장 좋을지 알기는 어려운데, 저는 일상적으로 프로세서를 디자인하는 칩 엔지니어가 아니기 때문입니다. 그러나 과거에는 오래된 디자인이 새로운 제품에 돌아오는 것을 본 적이 있어서 오래된 Jaguar 코어를 업데이트하는 것이 AMD에게 자체적인 작고 고효율 E-코어를 얻기 위한 가장 쉬운 방법일 것으로 생각됩니다.

    솔직히 말해서, Qualcomm이 PC에 본격적으로 진출하고 있고 Intel의 "Lunar Lake" 칩이 3분기에 출시될 예정이라는 조짐을 고려하면, AMD가 경쟁력을 유지하려면 과거의 자료를 찾아보는 것이 필요할 수 있습니다. AMD의 차세대 프로세서 디자인은 올해 나중에 예상되며, 곧 AMD가 개발한 것을 정확하게 확인할 수 있을 것입니다.     AMD의 CEO인 리사 수 박사는 6월 3일에 대만 컴퓨텍스 전시회에서 90분간의 키노트를 발표할 예정입니다. AMD는 이 이벤트에서 예정된 프로세서를 언급할 것이며, 이 시기에 진정한 AMD 하이브리드 프로세서에 대한 첫 번째 시연을 볼 수 있을 것입니다. 그렇지 않다면, AMD가 대체로 개발한 것이 흥미로운 경쟁력을 제공할 것을 바라겠습니다. ※ 퀘이사존 공식 기사가 아닌 해외 뉴스/기사를 번역한 것으로, 퀘이사존 견해와 주관은 포함되어 있지 않습니다.</td></tr></tbody></table></div>

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