[아키텍처] IDF 2013 Beijing에서 공개된 하스웰(Haswell)의 절전 & 오버 클러킹 기능

Intel CPU에서는 큰 도약이 되는 Haswell

　Intel의 차세대 CPU "Haswell (하스웰)"의 강력한 절전 기능의 일부 또한 밝혀졌다.

　Haswell은 올해 (2013 년) 중반에 Intel이 투입하는 새로운 마이크로 아키텍처이다. 큰 특징은 성능면에서의 아키텍처 확장 및 절전 기술의 양면에서 전례없는 대규모 확장을 행한 것. Intel은 점진적으로 단계를 밟아 CPU 확장을 행하고 있지만, 이번 Haswell은 Intel 아키텍처의 계보 안에 큰 도약이다.

Haswell의 추정 블록 다이어그램

Intel의 Tick-Tock 모델

Haswell의 설계 사상

Sandy Bridge의 블록 다이어그램

　Haswell의 마이크로 아키텍처는 명령 발행 포트를 2포트 확장하고 연산 유닛을 늘려 명령 병렬성을 올렸다. 슈퍼 스칼라 프로세서의 명령 발행 포트의 확장은 일반적으로 CPU의 명령 제어 회로의 복잡성을 포트 확장 분의 3승에 비례하여 증가 시킨다고 하여 매우 무겁다. 따라서 Intel은 명령 발행 포트 확장을 피해 왔지만, 결국 Haswell에서 증가시켰다. 또한 Haswell에서는 SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 연산 유닛을 FMA  대응하여 부동 소수점 연산 피크 성능을 클럭당 두 배로 높였다. 또한 트랜잭션 메모리 기술을 도입했다.

Haswell의 실행 유닛

Haswell의 실행 유닛의 개요

Haswell의 연산 명령

　이러한 마이크로 아키텍처 측면에서의 개혁만으로도 상당히 큰것 이지만, Haswell은 절전 기술도 지금까지 없었던 새로운 전개를 행한다. 최대의 포인트는 전압 조정기를 온 패키지로 옮겨 더 세밀한 전력 제어를 도입한다. 또한, 더 낮은 전력으로 빠른 복구 절전 스테이트를 신설하고 CPU를 오랫동안 절전 스테이트에 둘수 있다. 인터럽트 제어를 하고 저전력 DRAM을 지원한다. 특히 통합 전압 레귤레이터 (iVR : integrated Voltage Regurator)는 반도체 Fab을 가진 Intel 특유의 기술로 타사는 추종 할 수 없다. Intel은 아래의 슬라이드에 있는 것처럼 통합 전압 레귤레이터의 시작을 진행해오고 있다.

Intel이 개발을 추진 통합 전압 레귤레이터

IDF Beijing에서 Haswell 기술 세션을 개최

　Intel은 자사의 기술 컨퍼런스 "Intel Developer Forum (IDF) 2013 Beijing '에서 출시까지 초읽기 상태가 되었다. Haswell 대해 더욱 깊은 정보를 공개했다. 기술 세션뿐만으로도, Haswell에 깊이 관련된 것이 10 세션이었다. 대다수는 지난해 (2012 년) 가을 샌프란시스코에서 IDF에서 설명 된 것으로, 새로운 화제는 제한된다. 그러나 새로운 정보 중 일부는 인기인 통합 전압 레귤레이터에 관한 것이 포함되어 있었다.

　덧붙여서, Intel은 최근까지 Haswell 전압 레귤레이터 통합​​ 기술을 "FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator)"라고 부르고 있었다. 그러나 이번 IDF Beijing에서는 "iVR"라고되어 있었다. "Fully"부분이 오해를 낳을 수 있다고 판단했을지도 모른다. Haswell의 iVR는 전체 온다이 통합은 아니라고 볼 수 있다.

　아래의 슬라이드에 있는 것처럼 현재 Intel과 AMD의 CPU에는 총 5계통 다른 전압으로 전력공급이 마더 보드의 전압 조정기에서 행해지고있다. 사실,이 밖에 DRAM 인터페이스의 전압 계통이 있으므로 총 6계통이 된다.

CPU에 공급되는 전압 계통

　그림의 전압 레인은 Intel 용어는 정확히 아래있게 된다. 슬라이드 중에서 Vcor​​e로 되어 있는 것이 Vcc, Vgfx이되고있는 것이 VAXG, Vio이 VCCIO, Vpll이 VCCPLL, Vsa이 VCCSA이다. 이전에는 외부 전압 레귤레이터가이 5계통 플러스 1계통 각 전압의 출력 레인을 대비하여 CPU에 공급하여 왔다.

VCC : CPU 코어와 캐시의 공급 전압. 확장 가능한 가변
VAXG : GPU 코어의 공급 전압. 확장 가능한 가변
VCCSA : 노스 브릿지 기능을 가진 시스템 에이전트의 공급 전압
VCCIO : I / O 패드에 공급 전압 (DRAM 제외)
VCCPLL : PLL에 공급 전압
VDDQ : DRAM 인터페이스에 대한 공급 전압

　현재는 이 6계통의 전압이 한계로 더 이상 전압 차선을 늘릴 수 없다. 전압 조정기의 복잡성을 더해 버린다는 것으로, CPU 패키지의 제약이 있기 때문이다. 아래는 Intel의 라이벌 AMD가 2011 년 CPU 컨퍼런스 "Hot Chips"에서 설명한 슬라이드다. Intel도 AMD도 같은 문제를 안고있어, CPU에 통합하는 코어와 기능이 증가함에 따라 문제가 점점 부풀어 오르고 있었다.

패키지 및 레이아웃의 제약에 의한 CPU의 전압 계통 한계

가정과 다른 Haswell의 통합 전압 레귤레이터

　CPU의 전원의 전압 레인이 제한되는 것은 CPU의 절전 기능에 큰 제약이었다. CPU의 각 유닛마다 최적의 전압으로 조정하려고 해도 다른 단위에 끌려 일정한 전압 일수밖에 없었기 때문이다. 예를 들어, 지금까지의 Intel CPU는 CPU 코어가 유휴가 저전압으로 떨어지면 내부 링 버스의 전압을 떨어 뜨려야하고, 그 결과 링 버스의 전송 대역이 저하되고, 링 버스의 끝의 GPU 코어의 성능이 제약 될 수 있었다.

　그러나 Haswell에서는 통합 전압 레귤레이터의 탑재에 의해 CPU 내부의 전압 제어를 더 섬세한 입자로 할 수 있게 되었다. 아래의 슬라이드가 IDF Beijing에서 공개 된 통합 전압 레귤레이터의 개념도이다. 이것을 보면, 링 버스 전압 레인은 완전히 CPU 코어와는 분리되어 있는 것을 알 수있다. 또한 I / O 전압도 2 계통이 있다. 칩 외부에서 공급 전압은 DRAM 인터페이스 이외는 Vccin에 통합되어 Vccin에서 통합 전압 레귤레이터가 전압 변환을 수행하고 각 유닛에 공급하는 구조로 되어 있다.

Haswell에 탑재 된 통합 전압 레귤레이터 구성

　이 차트는 이전 기사에서 상정한 Haswell의 통합 전압 레귤레이터와는 약간 다르다. 이전 기사에서는 아래 그림처럼 CPU 코어 각각 다른 공급 전압이 실현 될 것으로 예상했다. 왼쪽이 기존의 외부 전압 레귤레이터의 솔루션에서 5계통 플러스 1의 전압 레인이 전압 조정기에서 CPU로 볼 수있다. 오른쪽이 상정한 Haswell 세대 통합 전압 레귤레이터, 온칩 전압 조정기에서 코어 단위로 여러 다른 전압 판에 격리 될 것으로 예상했다.

이전에 상정한 Haswell의 통합 전압 레귤레이터

　하지만 이번에 공개 된 슬라이드에서 예상되는 Haswell 전압 레귤레이터 통합​​은 아래의 그림과 같이된다. 슬라이드를 보는 한은, CPU 코어 군과 캐시는 일반적인 단일 전압 플레인이 될 것으로 보인다. 링 버스는 CPU 코어에서 분리되기 때문에 종전과 같은 버스와 코어의 성능이나 전압의 문제는 발생하지 않는다. 하지만 슬라이드대로라면 CPU 코어는 부하가 각각의 코어에서 다른 경우에도 최적의 전압으로 조정되지 않고 가장 높은 주파수의 코어 전압에 맞추게 된다.

IDF Beijing에서 공개된 슬라이드에서 예상되는 Haswell의 통합 전압 레귤레이터

　Intel은 2011 년 Hot Chips에서 전압 레귤레이터의 통합 목표를 아래 간결한 슬라이드로 표현했다. 코어 단위의 전압 공급에 의한 성능 및 전력 최적화가 Intel의 목표다. 만약 Haswell의 구현이 핵심 그룹을 동일한 전압 플레인으로 하는 것이면 꽤 얌전하게 된다.  (이후 기사 보충.  결과적으로.. 원래의 분석이 맞습니다. 각 코어별로 제어가 됩니다. 기자는 본래 아주 예전 기사부터 각 코어별 전압 제어가 될 것 이라고 분석하고 기사를 써왔는데.... IDF 에서 발표되는 인텔 슬라이드 내용을 보니 아닌것 같다 라고 다시 그림을 올린 것이죠. (위 그림 3개중 인텔것을 보면 코어에 화살표가 1개죠) 한참 한참 이후에 인텔의 공식 정보가 나오면서 확실하게 밝혀 집니다.  위 그림 기자가 그린 그림 2개중 위의 오른쪽이 가장 가깝습니다.)

Intel이 내건 통합 전압 레귤레이터의 목표

　참고로, Haswell에서도 오프 칩 전압 레귤레이터가 2 개 남아 있고 실제로 이를 없앨 수 없다. 이것은 통합 전압 레귤레이터가 낮은 전압에서 전력 공급을 필요로 하기 때문이다. iVR에 Vccin은 일반적으로 1.8V로 되어 있어 외부 VR이 필요하다. 또한 DRAM 인터페이스 측은 DRAM과 일반적인 전력 레인이 필요하므로, 이쪽은 CPU에 통합하지 못하고 분리된다.

오버 클러킹과 관련된 Intel의 세밀한 전력 제어

　따라서, Haswell의 전압 플레인 구성은 전압 레귤레이터를 통합한 해는 점잖은 디자인이 되고 있을 가능성이 높다. Haswell이 통합 전압 레귤레이터의 첫번째 구현임을 감안할 때, 이것도 무리는 없을지도 모른다. CPU 코어 전압 판을 각각 조절하는 것은 설계가 어려운 일도 많기 때문이다.

　그러나 통합 전압 레귤레이터의 장점은 공간적 세밀하게 제어뿐만 아니라 시간적인 세밀한 제어에 있다. 전압 스위치를 기존의 오프칩 전압 레귤레이터 보다 빠르게 수행 할 수 있게 된다. 만약 Intel이 인덕터 부분을 CPU 다이의 외부에 제공하더 라도 비교적 빠른 스위칭이 가능하게 될 것으로 보인다.

세밀한 전압 제어(윗 그림은 빠른 전환이 되지 못해서 계속 고전압, 아래는 빠른 전압전환이 가능해서 바로 바로 전압이 떨어졌다, 높아졌다가 가능)

　IDF Beijing에서 재미 있었던 것은, 통합 전압 레귤레이터에 대한 설명이 진행된 것이 'Enhancing the Overclocking Experience on Intel Enthusiast Desktop and Mobile Platforms'라는 제목의 오버 클러킹에 대한 세션 이었다. Haswell 내용은 전압 레귤레이터의 통합이 전해진 이후 사용자 측에서 전압과 주파수를 조정하여 오버 클러킹을 할 수 없게 되는 것 아니냐는 우려가 활발하게 속삭여지고 있었다. 이 세션은 그러한 불안함에 반응한 것이다.

　결론부터 말하면, Haswell은 어느때 보다 오버 클러킹의 자유도가 증가한다. 여기서 중요한 점은 이것이 사실 오버 클로커만을 대상으로 한 확장성 뿐만이 아니란 점이다. CPU 내부의 전력 제어를 더 세밀하게 수행 할 수 있도록 해 나가는 과정에서 오버 클럭에 유리한 기능이 부차적으로 발생하는 측면도 있다.

3 세대 Core 프로세서 (Ivy Bridge)의 클럭 / 전압

Haswell 클럭 / 전압

다양한 패턴의 전압 공급 모드를 구현

지난 2 세대에 비해 BCLK의 클럭 생성의 자유도가 높아진다

Haswell의 클럭 트리

Haswell에서 클럭 변경 가능 범위

　각 유닛을 점점 분리하여 세밀하게 제어 할 수 있도록 해 가면 각 유닛의 동작 속도 상한을 높게하여 오버 클럭도 용이하게 되어 간다. 예를 들어, CPU 코어 단위의 전압 제어가 가능하게 되면, 각 CPU 코어마다 상한 전압을 경정하고 조정하는 오버 클럭도 가능하게 될 것이다. 그런 의미에서, 전력 절약화는 오버 클러킹으로도 어느 정도 통하는 길이기도 하다.

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