[고전 2001.02.06] 2010년 CPU 전력은 600W?

 

-Intel CPU의 T소비 전력을 낮추는 방향을 명확히-

 

ISSCC에서 겔싱어의 프리젠테이션

 

 

 

 

이제는 전력(열)과의 싸움이 된다. Intel은 이렇게 선언했다.

2월 5일부터 미국 샌프란시스코에서 개최 된 반도체 학회 "2001 ISSCC (IEEE 국제 고체 회로 회의)"의 기조 연설에서, Intel의 팻 겔싱어 부사장 겸 CTO (Intel Architecture Group)는 향후 Intel CPU의 큰 방향을 제시했다.

 

그 속에서 앞으로 전력 소모가 가장 큰 도전이 될 것 이라고 지적하고 성능 당 소비 전력을 낮추는 아키텍처를 Intel이 추진함을 분명히 말했다. 즉 향후 Intel 프로세서 아키텍처는 지금 까지와는 바뀐다.

 

소비 전력의 상승을 상관없이 성능을 추구하는 것이 아니라, 전력을 억제하면서 성능을 향상시키는 길을 갈 것이다.

사실, 겔싱어가 ISSCC에서 행한 프레젠테이션은 Intel Microprocessor Research Labs (MRL)의 Fred Pollack 이사 겸 Intel Fellow가 재작년 Micro32에서 행한 프레젠테이션 "New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CMOS Process Technologies" 를 뒷받침 한 것.

 

물론 그대로가 아닌, 더 추가한 요소가 플러스 되어 있지만, 그 개요는 이미 지난달 이칼럼 ( "Intel의 0.13μm 공정 P860/P1260에서 CPU는 어떻게 바뀌나" 와 "10GHz CPU를 실현하는 Intel의 0.03μm 트랜지스터 기술 " )에서 소개했다.

하지만 이번 겔싱어가 ISSCC에서 Intel의 미래 프로세서의 방향 전환을 발표 한 의미는 크다. 먼저 프로세서 아키텍트 이벤트 인 Microxx와 ISSCC에서는 참가자(ISSCC 쪽이 10 배 이상 많다)도 미디어에서 다루어 방법도 다르다.

 

또한 Intel의 소속 리서치 부문 Pollack 씨에 비해 겔싱어는 실제 제품 개발에 직접 직결되는 입장이다. 즉, 이것은 Intel이 현재 개발중인 프로세서도 이미 전력 당 성능을 향상시키는 방향으로 있고 그것을 공개하기 시작했다고 해석 할 수 있다.


지난 30년간 무어의 법칙이 작동

먼저 겔싱어는 무어의 법칙으로 프로세서는 지금까지 30 년간 이어온 것을 설명했다. 즉 새로운 아키텍처 CPU의 탑재 트랜지스터 수는 4004부터 현재까지의 사이에 평균 1.96 년에 2 배의 속도로 성장하고 왔다고 한다. 이것은 24 개월에 2 배 무어의 법칙의 적당히 맞는다.

한편, CPU의 die size (반도체 본체의 면적)도 커졌다. 이곳은 매년 7 %, 2 년 14 % 씩의 속도로 증가했다고 한다. 그 결과, 약 10 년에 2 배가 되었다고 겔싱어는 지적한다. 다이 크기가 늘어난 이유 중 하나는 웨이퍼의 크기가 대형화 되어  큰 다이 칩 이라도 1장의 웨이퍼로 부터 다수 얻게 된 것. 또 하나는 웨이퍼 결함(Defect) 률이 떨어지고 있는 것이다.

클럭은 어떤가 하면, 이것도 약 2 년에 2 배의 속도로 증가했다고 한다. '80 년대에는 일단 클럭이 10MHz대로 제자리 걸음을 하지만 CMOS 시대에 부쩍 늘었다.

이렇게 보면 지난 30 년은 순조롭게 무어의 법칙이 작동 한 것이다. 또한 CPU의 성능에 관해서는 무어의 법칙을 웃도는 페이스로 상승했다. 이것은 무어의 법칙으로 늘어난 트랜지스터 여유를 성능을 높이는데 사용했기 때문이라고 한다.

예를 들어, 지난 10 년에 제조 공정은 1μm에서 0.18μm로 수축하고, Intel CPU의 클럭은 약 50배가 됐다. 그러나 이 50 배의 클럭 중 공정 기술의 향상 분은 13 배에 불과 하다. 나머지 4 배는 트랜지스터를 추가하여 마이크로 아키텍처를 개량하는 것으로 인상했다. 즉, 13 × 4 = 50 인 셈이다.

그리고 CPU의 성능이라고 하면, 지난 10년간 75배가 됐다고 한다. 이 가운데 13배가 이미 말한 순수하게 공정 기술로 클럭 향상 분, 그리고 6 배 분이 마이크로 아키텍처와 디자인(시스템 버스 및 캐시 등)에 의한 것이라고 한다.

 

즉, 13 × 6 = 75 인 셈이다. 즉 무어의 2 년에 2 배의 법칙이라면 10 년에 32 배 밖에 되지 않는 것이 클럭과 트랜지스터 수가 모두 향상된 것으로, 성능은 2 배의 75배가 된 셈이다.  (이글의 여러 내용으로 인해서, 현재는 클럭이 거의 멈춘 상태. 순수하게 아키텍처, 확장명령으로만 코어 성능을 올려야함. 과거 x86부터 ~ 펜티엄4 까지 이어진 전력 상승도 멈춰진 상태. 오히려 장기적으로 내려가는 상태.)


지금까지의 법칙대로라면 CPU의 소비 전력은 수천 W에

앞으로는 어떻게 되는 것인가. Intel의 예상으로는 제조 공정 기술에 관한 한, 당분간 10 년, 0.03μm 세대 전 까지는 이러한 추세가 계속된다고 한다. 즉, 0.13μm (2001 년), 0.10μm (2003 년), 0.07μm (2005 년), 0.05μm (2007 년)까지 목표가 섰다는 것이다. 그 결과, CPU에 탑재 할 수있는 트랜지스터 수는 5년 후에는 2억, 10년 후에는 10억을 넘는다고 한다.

제조 기술은 향후 10 년의 로드맵이 있다며 CPU도 지금까지와 같은 속도로 향후 10 년 진화하면 어떻게 될까? 즉 2 년에 트랜지스터 수가 2 배로 증가, 다이 크기가 14 % 씩 증가한다면?

먼저 다이가 14 %의 속도로 거대화를 계속하면, Intel의 새로운 아키텍처 CPU는 다음 0.13μm(130나노)세대 이후는 다음과 같이 된다.

28mm 단면길이 (784 제곱 mm)
32mm 단면길이 (1,024 제곱 mm)
36mm 단면길이 (1,296 제곱 mm)
41mm 단면길이 (1,681 제곱 mm)


그래서 클럭이 2 년 만에 두배로 되었다고 하면 소비 전력은 어떻게 될까?  무려 10 년 이내에는 TDP가 수천 W의 CPU가 되어 버린다고 한다. 말도 안될 정도의 전력이지만, 이론대로 라면 이렇게 되어 버린다.

 

하지만 실제로는 이미 Intel은 Pentium Pro 세대에서 다이 크기의 확대를 종료 해기 때문에 (첫번째 공정의 Pentium Pro는  첫번째 공정의 Pentium과 거의 같은 크기) 이런 일은 일어나지 않는다.

 

하지만 소비 전력이 프로세서의 진화의 제약이 될 것은 분명하다. 보다는, Pentium Pro 나 Pentium 4에서는 다이 크기를 억재하고 있어 이미 그 제약은 일어나고 있다.

 

 

CPU가 멜트 다운을 일으키나?

 

 

 

하지만, 프로세서 전체의 소비 전력보다 더 장벽이 될 것이 있다. 그것은 전력(열)의 밀도 (Power Density)이다. 이것은 이전에 이 칼럼에서 지적했지만, 점점 악화되고 있다.

 

겔싱어에 따르면, Pentium 때 핫 플레이트의 열 밀도를 초과하고, 2010년 이전에 핵 반응로와 같은 열 밀도, 그리고 로켓 분사구의 열 밀도에 도달해 버려, 2015년경에는 태양 표면과 같은 열 밀도에 도달해 버려, 최악의 경우 이 열 밀도는 다이 크기를 억제

해도 변하지 않는다.

 

따라서 이대로 가면, 확실히 CPU는 멜트다운의 위험에 노출된다. "아무도 비행기를 탈 때 핵 반응로를 반입하고 싶지 않을 것이다"(겔싱어), 그건 그렇다.

또한, 시스템 수준에서 조절해야 하는 열량도 방대하다. 다이 크기를 줄여도 CPU의 소비 전력은(열) 증가하고 있고, 2010 년에는 600W가 되어 버린다고 한다. 이렇게 600W  왠만한 팬히터 수준의 소비 전력이다.

 

 

겨울이면 난방이 필요없는,  정보처리 장치보다는 난방기구에 가까운 흰색 물건이(백색가전=냉장고 같은 생활 가전을 백색가전이라고 하죠) 될 것이다. 그리고 비디오칩도 점점 전력이 상승하기 때문에, PC 전체의 소비 전력은 더욱 증가한다.

 

그렇게 되면, 전력 위기의 캘리포니아에는 첨단 기술 기업은 있을 수 없을 것이고, 일본이라면 PC를 시작한 것만으로 차단기가 떨어지는 집이 나올 것이다.

당연히, 냉각 기술도 따라 잡지 못하게된다. CPU의 냉각 열 예산(Thermal Budget)은 CPU(또는 패키지) 표면의 온도와 케이스 내부의 공기 온도와의 차이를 전력으로 나눈 수치이다.

 

예를 들어, CPU의 다이 및 패키지 온도의 최대 값이 90도에 케이스의(섀시) 온도가 최고 40도에 유지하면 그 차이는 50도. 이를 전력으로 나누면 CPU 냉각 시스템에 필요한 열 저항이 산출된다.

 

예를 들어, 200W의 TDP라면 열 예산은 0.25C/W된다. 즉, 0.25C/W의 열 저항의 방열기구가 필요할 뿐만 아니라, 200W 분의 열확산이 가능한 방열판, 그만큼의 열이 계속해서 온도를 40도에 유지할 (지속적인) 공기순환이 필요한 것이다 (케이스 (섀시)가 크고, 흡기 배기 팬이 많을 수록 케이스 내부 온도 유지에 유리. 반대로 매우 협소한 PC 케이스에 흡기 배기가 빈약한 상태라면 같은 CPU에 같은 CPU쿨러를 장착해도 CPU온도는 더 높아 집니다. 케이스 내부의 온도 자체가 더 높으니까요. 40도의 케이스 내부 공기로 식히는 것과 50도의 케이스 내부의 공기로 식히는 것. 어느게 더 CPU 온도를 낮출 수 있을지 뻔하죠. 뭐 아예 케이스 옆판을 열어 버리면 온도야 더 잡기는 하지만요.

 

더 넓게는 컴퓨터가 놓여있는 방 온도도 중요하구요. 케이스 내부로 흡기되는  방안의 온도 자체가 높으면, 케이스 내부 온도도 높아지죠. 그래서 보통 제대로 온도 테스트를 하는 경우는 실내 온도도 유지하면서, 실내 온도가 몇도라고 밝히고 합니다. 우리나라의 경우는 그냥 가정집 기준으로 봄과 가을은 그냥 창문을 열어 놓고 생활하니까. 방온도를 유지하기 위해 별도의 공조장치는 없어도 되고, 실내 온도만 얘기해도 되겠죠.

 

그러니까 똑같은 CPU를 쓰는데도  각자의  CPU 온도가 다른 것은  가장 가깝게는 CPU의 수율자체가 조금씩 달라서 온도차이도 있겠지만,  CPU쿨러가 다르다는 것, 또 같은 CPU 쿨러라도 써멀그리스를 비롯해서 제대로 장착을 했는가 여부, 이것 까지 다 똑같다면  PC 케이스의 크기 여부와 흡기 배기팬의 숫자와 팬속도, 팬 크기등에 따른  공기 순환량의 차이. 그 이후는 실내 온도가 같은가?  이런게 다르면 당연히  같은 CPU에 같은 쿨러라도  각자의 온도가 미미한  차이가 아닌 큰 차이가 날 수 있습니다. 게다가 PC 케이스 안의 또 다른 발열 장치인 VGA 카드도 고려 해야죠. 더 세밀하게 들어가면, 메인보드에 따라서도 조금 다르고, 파워 서플라이에 따른 파워 자체의 열발생에 따라서도 차이가 날 수 있습니다. 파워가 고출력이면서 효율이 낮은 파워일수록 열 발생이 많아 집니다. 효율이 낮다는 것은 그만큼 교류를 직류로 다 바꾸지 못하고 열로 전환된다는 얘기 입니다. 온도가 높은 백열등이 그래서 형광등 보다 효율이 낮죠. 빛으로 많이 못 바꾸고 열로 나오는 겁니다. 요즘 파워는 다 예전에 비하면 좋은 80% 이상 효율이니까 차이는 적어졌죠. 예전에는 좋은 파워는 70 후반대 % 이고  좀 효율이 낮은 파워는 60% 초반대 였었죠.).

 

현재는 우수한 방열판에 서도 실제 열 저항은 0.60C/W 정도이고, 비싼 기술을 사용해도 0.3도C/W 정도까지 밖에 내릴 수 없다고 말한다. 즉, 어디를 봐도 한계에 인접해 있다는 것이다.

겔싱어에 따르면, 지난 30 년간 CPU의 진화의 제약은 단순히 제조 비용과 생산 기술의 것 뿐이었다 한다.

 

그러나 이제는 "규칙이 바뀐다"(겔싱어). 열을 정벌하는 것이 CPU의 성능을 올릴 수 있게 된다. 다음 칼럼에서는 겔 싱어가 보여준, Intel의 생각 해결책을 설명하고 싶다.

 

2001년 2월 6일       

 

 

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