[분석정보] 인텔(Intel)의 스마트폰 시장 공략 비장의 카드 Medfield (메드필드)

 

스마트폰 시장의 Intel 비장의 카드 Medfield

　Intel에 있어서 모바일 제품 "Atom Z2460 (Medfield : 메드필드)"는 기업 전략에 매우 중요한 칩이다. 왜냐하면 더 이상 Intel의 가장 큰 약점이라고 할 수 없는 스마트폰 시장에 돌진하기 위한 비장의 카드이기 때문이다. 정확히 Medfield에서 시작 되는 일련의 스마트폰 SoC (System on a Chip)가 Intel에 중점 제품군으로 Medfield가 시작되고 있다.

　Intel은 2006 년 전후 당시 "LPIA (Low Power Intel Architecture)"라고 했던 Atom 계 CPU 코어의 제품 계획을 발표했을 때부터 스마트폰 시장을 타겟으로 하고 있었다. 그 시점에서 노릴 수 있다고 생각하지 않고 "장기적인" 대상은 스마트 폰이라고 설명했지만, 여기까지 장기가 될 것으로 예상했는지 여부는 의심 스럽다. 현재도 Intel의 Atom은 스마트폰 시장에 순조롭게 침투하고 있다고는 말하기 어렵기 때문이다.

　Atom이 스마트폰 시장에 침투 할 수 없는 원인은 여러 가지 있지만, 가장 큰 이유 중 하나는 Intel이 휴대폰용 SoC 경험이 부족했던 것에 있다. 스마트폰 전용으로 개발 된 SoC와 비교하면 기존의 Atom 계 칩 면적과 전력 소모, 포장 등 여러면에서 부족한 부분이 있었다.

　대조적으로, Medfield는 Intel이 스마트폰을 연구한 결과에서 태어난 플랫폼으로 스마트 폰의 다양한 형상이 묶여있다. Intel이 만반의 준비를 하여 스마트폰 시장에서 싸울 려는 것이 Medfield 라고 할 수 있다. Medfield는 선적 이후 중국과 인도, 러시아 등에서 채용 제품이 등장, 미국에도 들어있다. 그러나 메이저는 아직 멀다.

　Intel은 32nm 공정 Medfield에서 어느 정도의 발판을 잡으려고 하고 있는 것으로 보인다. Intel은 올해 (2012 년) 봄 Intel Developer Forum (IDF) Beijing이나 Investor Meeting 등의 컨퍼런스에서 스마트폰 시장에 대한 노력을 크게 다루고 있다. PC 시장을 아무리 과점해도 모바일 시장을 늘릴 수 없는 경우 주주로부터의 비난도 강한 상황에 있기 때문에 Intel도 필사적이다.

 

 

 

 

 

       
공정 기술의 강점을 살리려 하는 Intel

　Moorestown의 SoC "Lincroft (링크로프트) '는 45nm 였던 반면 Medfield의 ​​SoC"Penwell (펜웰)'은 32nm 공정으로 미세화의 혜택이 있다. Intel은 Medfield 후, 22nm 프로세스의 "Merrifield (메리필드)"플랫폼에서 본격적인 반격에 연결하는 거라고 추측 된다.

　Intel의 공정 기술은 크게 고성능 CPU를 위한 프로세스 및 모바일 용 SoC 프로세스의 2계통이 있고 이전에는 SoC 프로세스의 것이 3 분기 이상 지연이 있었다. Intel은 Atom 용 SoC 공정 기술의 미세화를 가속화 하여 모바일 시장에서도 공정 기술의 강점을 살리려 하고 있다. 현재는 SoC 프로세스의 제품은 Intel이 32nm 인 반면, 파운드리 공정은 28nm로 이행하고 있고 거의 동렬이 되고 있다.

 

 

 

Intel 및 파운드리 프로세스 로드맵

그러면 Medfield에서는 무엇이 새로운 것인가. Intel은 지난주 미국 쿠퍼 티노에서 개최 된 반도체 칩 컨퍼런스 "Hot Chips 24"에서 Medfield의 ​​개요를 발표했다. Medfield 장점은 기존의 Atom 기반의 모바일 기기용 플랫폼 "Moorestown (무어스타운) '에 대해 더 작은 풋 프린트, 적은 대기 전력, 적은 작업 당 전력, 높은 비디오 / 3D 그래픽 / 카메라 성능을 달성 할 수 있다. 한마디로 스마트폰에 맞게 구현 크기와 전력으로 현재의 첨단 스마트폰에 필적하는 성능 범위를 달성하기 위해 노력하고 있다.

　아래는 Intel의 Medfield 기반 스마트폰 레퍼런스 플랫폼 보드이다. 왼쪽 전면 하단에 놓여져 있는 것이 Penwell SoC에서 파​​워 딜리버리 IC와베이스 밴드 모뎀 칩을 Penwell 옆에 배치하고 있다. 중앙의 큰 검은 부분은 배터리 보드로 배터리를 도는것 처럼 되어있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DRAM 칩을 PoP으로 적층하는 Penwell

　참조 보드에 DRAM 칩이 보이지 않는 것으로 부터 알 수 있듯이 Penwell는 많은 스마트 폰용 SoC와 마찬가지로 DRAM 칩 패키지에 밀봉되어 있다. 일반적인 Package-on-Package (PoP)라는 패키지를 거듭하는 방식으로, 칩의 두께는 증가하지만 저렴한 비용으로 적층된다. Penwell의 경우 PoP 버전의 두께는 1.4mm이다 (SoC 뿐이라면 0.8mm). PoP는 OEM 측에서도 수 있다고 설명했다. 아래의 슬라이드 Hot Chips에서 나타난 것이다.

 

 

 

 

Medfield의 ​​발표를 행한 Intel의 Rumi Zahir 씨

　밀봉되어 있는 것은 LPDDR2로 2칩이 와이어 본딩으로 상단의 패키지에 포함되어 있다. Hot Chips에서 Medfield의 ​​발표를 행한 Intel의 Rumi Zahir 씨는 포장이 Penwell 중요한 요소라고 말했다. PoP에서는 기존에는 보드에 있던 메모리 배선의 트레이스 길이가 짧아지기 때문에 전력면에서도 효율이 오른다.

　덧붙여서, LPDDR2는 일반적으로 x16 또는 x32에서 Penwell는 x32의 LPDDR2 인터페이스를 2 채널 갖추고 있다. 지원하는 DRAM 밀도는 1Gbits, 2Gbits, 4Gbits. 각 채널은 2단계도 가능하고, 최대 2GB로 되어 있기 때문에 4칩까지 지원이 가능하다.

　메모리 전송 속도는 LPDDR2의 현재 일반적인 최고 평점인 800Mt/sec에서 2x32에서 6.4GB/sec의 메모리 대역폭이 된다. 메모리 대역에서는 이례적인 Apple A5X (128-bit 인터페이스)를 제외하고 현재 하이 엔드 모바일 SoC 클래스가 된다.

 

I / O의 통합으로 I / O 에 제한된 다이에　

 

Penwell 칩 전체의 레이아웃은 아래와 같이된다. 그림 속에서 나란히 하는 것은 45nm 버전의 Lincroft의 다이다. 2011 년 COMPUTEX에서 공개된 Penwell의 웨이퍼에서 산출 한 다이 사이즈를 바탕으로 거의 동일한 축척이 되도록 정렬되어 있다.

　Lincroft와 비교하면 Penwell은 미세화한 만큼 CPU 코어가 차지하는 비율이 낮아지고있다. Lincroft의 CPU 코어는 45nm의 "Bonnell (본넬)"에서 Penwell의 CPU 코어는 32nm의 "Saltwell (솔트웰)." 아키텍처는 크게 다르지 않지만, 45nm에 32nm 거의 절반 사이즈가 되고 있다.

　덧붙여서, ARM 계열 모바일 SoC는 현 세대는 많은 것이 2CPU 코어를 채택하고 있으며, 4CPU 코어도 등장하고 있지만, Intel의 Penwell는 싱글 코어인 채다. ARM 계열 코어와 비교하면 Intel 코어 Atom 계에도 다이 면적이 크기 때문에 2 코어 화가 어렵다는 사정이 있다. 하지만 싱글 스레드 성능이(코어당 성능) 상대적으로 높고 그위에 두 스레드의 다중 스레드 기능 Hyper-Threading도 구현하고 있다. 이 부분은 절충이다.

　Penwell는 CPU 코어의 크기가 줄어든 만큼 다른 기능의 단위 면적이 늘었다. 또한 Lincroft에서는 I / O 칩의 좌우 가장자리를 차지할 뿐이지 만, Penwell은 4 가장자리에 I / O가 있다. 이는 2칩 솔루션인 Moorestown의 Lincroft에서 원칩 솔루션 Medfield에서는 Penwell 과 모든 I / O 기능을 통합했기 때문이다. Intel의 Zahir 씨는 Penwell 대해 "(die size는) 완전히 I / O 리미티드 칩"이라고 설명하고 있다.

 

 

 

 

 

Medfield 다이

　인터페이스 구성은 스마트폰 적이고, PC 업계에서는 생소한 것도 많다. 모바일에서 일반적인 MIPI (Mobile Industry Processor ​​Interface) 계 인터페이스가 구현되어 있다. 디스플레이 출력은 HDMI 1.3a 한 링크와 MIPI-DSI (Display Serial Interface)가 2 링크하는 구성으로 되어있다. 디스플레이 엔진 3 파이프에서 3 화면을 동시에 내는 것이 가능하다.

　왼쪽의 카메라용 이미지 시그널 프로세서가 큰 면적을 차지하고 있으며, 오른쪽의 오디오 가속기도 상당한 면적을 차지하고 있다. 카메라는 2 개 지원한다.

레이스 투 아이들 사상 최고 성능을 향상

 

　CPU 코어 자체는 100MHz에서 1.6GHz까지의 넓은 동작 주파수 범위를 가진다. 보통 상태에서 지속적으로 작동하는 최고 주파수 인 HFM (High Frequency Mode)는 1.3GHz에서 소비 전력은 500mW 정도. 부하가 높은 경우에는 일시적으로 1.6GHz의 버스트 모드까지 끌어 올리는 것이 가능하다. 소비 전력은 750mW이다. 부하가 낮은 경우 저전력 모드 LFM은 600MHz에서 175mW. 울트라 저전력 Ultra-LFM는 100MHz에서 50mW이다. 전력이 크게 낮춘다는 동작 주파수와 동시에 전압도 공격적으로 전환하고 있기 때문이다.

　Intel의 발상은 '레이스 투 아이들 (Race to idle) "즉 빨리 작업을 끝내고 대기 모드로 들어갈 수 있다. 그것이 결과적으로 전력 소비가 낮아지는 것으로, 아래의 슬라이드의 예를 보여 주었다. 같은 Web 브라우징 렌더링 처리를 행하는 경우 600MHz시의 성능과 전력을 1로하면 1.5GHz 때로는 성능은 2.24 배가되지만, 빨리 끝냈기에 소비하는 에너지는 81 %로 감소한다. 최근에는 ARM 계열 SoC도 거의 이와 같은 설명하고 업계의 합의가 되고 있다.

　덧붙여서, Penwell의 경우 CPU 코어뿐만 아니라 다른 장치에 대해서도 같은 발상으로 설계되어 있다고 한다. 이미지 프로세싱 프로세서와 GPU 코어, 비디오 디코더 등도 빨리 작업을 끝내고 세이브 상태에 들어가는 것으로, 전력 소비를 억제한다.

 

 

 

 

   
　또한 Intel의 PC 용 CPU는 현재 CPU 코어와 GPU 코어 사이에서 동적 부하 분산 및 부스트를 행하고 있다. 예를 들어, CPU 코어의 부하가 낮고, GPU 코어의 부하가 높은 경우 GPU 코어 부스트 한다. 그 반대도 OK로 두 코어의 총 에너지에서 전력 틀에 맞게 균형을 이룬다.

　Penwell에서도 이와 유사한 구조를 갖추고 있다. PC 용 CPU처럼 CPU 코어와 GPU 코어 사이뿐만 아니라 다른 구성 요소 사이에서도 전력의 로드 균형을 취할 수 있다고한다. 예를 들어, 카메라 이미지 프로세서와 GPU 코어 등 사이에서 균형을 그래픽 렌더링을 타협하여 이미지 프로세서의 성능을 높일 수 있다고 한다.

복귀 지연 시간이 매우 짧은 Intel의 C6 스테이트

 

　Intel CPU 코어의 전력 상태 계층은 거의 공통하고 있다. 아래의 그림과 같이 클럭 게이팅을 하는 상태가 C1/C2에서 파워 게이트를 수행 스테이트가 C6이다. Penwell의 Saltwell CPU 코어의 경우 C6 스테이트에서 복귀 지연 시간은 100 마이크로 초 (us) 이하로 되어 있다. 파워 게이팅에서 복귀 지연 시간이 매우 짧은 것은 Intel 계 CPU에서는 파워 게이트시 CPU 코어 아키텍처의 상태를 온칩 대피용 SRAM 영역에 저장하고, 그 SRAM 부분만 통전하여 상태를 유지하기 때문이다 . 아래의 슬라이드는 Hot Chips에 표시된 것, 그림은 Intel이 Penryn(45나노 울프 모바일용) 발표시 언급 한 C 상태 제어 구조다.

 

C6 스테이트

 

 

　Medfield는 모바일 SoC이기 때문에 또한, 시스템 상태의 개념이 도입되고있다. 포인트는 SoC 전체에서 켜거나, 모드 사이에 중간적인 상태가 도입 된 것. 소비 전력이 매우 낮지만, 복귀 지연 시간이 짧은 형태이다. 아이디어는 CPU 코어 C6적인 형태를 SoC 전체에 적용것 같은 이미지다.

 

　시스템의 전원 상태가 정상 활성 S0 일 때는 CPU 코어는 C0에서 C6 중 상태도 가능하고 다른 기능 유닛도 상황에 따라 on 상태이거나 파워 게이트 된 상태에 있다. 예를 들어, 카메라가 사용되고 있지 않는 동안은 S0에서도 이미지 프로세서는 파워 게이트 된 상태에 있다.

　아래의 "CPU Active"슬라이드는 CPU 코어와 그래픽과 오디오, 비디오 등이 동작하고 있는 상태에서 예를 들어, 동영상 재생 등이 이 상태에 해당한다. CPU 코어가 C6에 들어간 상태가 "CPU off"에서 그래픽계 가속기는 모든 동작하고 있지만 CPU 코어 파워 게이트 되고 있다. CPU 코어 부분에서 일부만 붉게 남아있는 공간이 CPU 코어 아키텍처 상태를 유지하고 있는 SRAM이라고 볼 수있다.
   

 

 

 

 

 

SoC 전체 전력을 마이크로 와트 단위까지 억제 새로운 절전 상태

　새로운 상태 인 'S0i1 "시스템 상태가 되면 CPU 코어는 C6에서 LPDDR2는 셀프 리프레쉬에 들어간다. 그러나 이 상태에서도 일반적으로 디스플레이 선택에서 사용되지 않은 다른 많은 유닛도 파워 게이트 상태에 들어간다. 이 상태는 예를 들어 홈 화면을 표시하거나 Web 렌더링 결과를 표시하고 있는 상태 등을 상정하고 있다. 전력 소비는 SoC 전체 mW 범위이지만, 복귀 지연 시간은 마이크로 초 (us) 단위로 짧다.

　아래의 슬라이드처럼 SoC 전체가 거의 꺼져 있는지 알 수 있다. 작동하는 것은 전력 관리 장치와 CPU 상태 유지 SRAM, 그리고 디스플레이 컨트롤러 부분 등 한정된 부분 뿐이다.

 

 

　또 다른 단계 진행되면 "S0i3/S3"가 된다. 이 상태에서는 디스플레이도 꺼지고 CPU 코어도 온칩 상태에서 메모리에 기록되어 완전히 해제된다. 다른 기능 유닛도 꺼지고 LPDDR2는 당연히 셀프 리프레쉬에 들어가고 남은건 전력 관리 유닛 만이다. 이 상태에서의 전력 소비는 마이크로 와트 범위로 복귀 지연 시간은 밀리 초 (ms)이다. 일반적인 SoC 오프 상태다.

 

　Penwell은 전체 45개의 전력 아일랜드로 세분화되어 관리되고 있다. 파워 딜리버리 칩의 전력 공급은 13 차선으로, 그중 4 차선이 각종 I / O 유닛, 4 레인이 디지털 로직 및 SRAM, 2 레인 메모리, 3 차선이 아날로그로 되어있다. OS Power Management (OSPM) 인터페이스에서 OS 측에서 제어가 가능하고, 따라서 소프트웨어 모듈도 준비한다.

　현재 Intel이 제공하는 것은 Android OS 용 모듈 기본 Android Power Management Kernel을 그대로 수정해 유용 할 것이다. Intel이 추가 한 것은 아래의 슬라이드 갈색 부분으로 Power Management Unit (PMU)에 액세스 하기 위한 PMU 드라이버 부분과 PMU 드라이버와 함께하는 프로세서 드라이버 아이돌 핸들러가 추가 되었다. 또한 전용 열 및 그래픽 드라이버 군도 제공된다.

 

 

 

 

   
　이전 세대 Moorestown까지 모바일 Atom계 플랫폼은 스마트폰 이라고는 매우 말하기 어려웠다. 그러나 Medfield에서는 드디어 스마트폰에 올릴 수 있는 기능을 갖췄다. Intel도 드디어 스마트폰 레이스에 참가할 수 있게 된 셈이다. 앞으로는 공정 기술의 강점을 어떻게 Atom계에 할 것인가 라는 구상에 들어간다. 22nm 프로세스 Merrifield(메리필드 22나노 아웃 오브 오더 신 아키텍처 아톰)는 22nm 버전 Atom CPU 코어 "Silvermont"를 듀얼 구성한 SoC "Tangier'가 된다.

 

 

 

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