[고전 2005.01.12] 암달의 법칙(Amdahl's law)을 둘러싼 Intel과 AMD의 싸움

 

 

멀티 코어 시대의 열쇠가 되는 암달의 법칙

　요즘에 와서 CPU 업계에서 암달의 법칙(Amdahl's law) 이라는 말이 자주 들려 오게 되었다. 그것은 멀티 코어화 노선의 전망이 이 법칙에 깊이 관련되어 있기 때문이다. CPU 업계의 미래는 Amdahl의 법칙을 둘러싼 싸움이나 논쟁으로 발전하고 있다.

　Amdahl의 법칙이라는 것은 간단히 말하면 컴퓨터의 처리 성능은 전체의 컴퓨 테이션 시간 중 기능의 확장 가속화 되는 부분의 비율에 따른다는 것. 핵심은 수행하는 작업의 병렬 처리 할 수 ​​없는 = 순서대로 실행 할 수 밖에 없는 부분에 전체 작업의 실행 시간이 제한된다고 지적하고 있는 것이다. (여러 코어(스레드)로 동시에(병렬로) 처리 할 수 없는 부분. 여러 코어로 동시에 처리를 할 수 있어야 멀티코어에서 성능이 높아지죠. 동시에 못하는 부분이면, 1코어나 2코어나 차이가 없죠. 또 여러 작업이 A 작업에 종속되어 있다면  A가 끝나기 전에는 여러 작업을 할 수가 없음. 게임으로 말하면 공격을 했을 때 그걸 맞고 죽었냐 살았냐 데미지가 얼마다 등의 계산이 끝나야 그 뒤에 그래픽 스레드에서 죽는 그래픽 처리를 하던가, 사운드 스레드에서 죽는 사운드를 동시에 내보내던가.. 이런게 되겠죠. 만약 맞고 안죽었다면, 그냥 데미지 입는 그래픽을 내보내야 할테고, 사운드도 동시에 그냥 타격을 받은 사운드만 보내야겠죠. 그냥 안죽은 것도 아니고, 그 타격을 회피나 방어를 했다면, 회피나 방어 그래픽을 출력해야 할테고, 사운드도 회피나 방어 사운드를 출력해야 하겠죠.  그래피 처리 부분 자체를 여러 스레드로 처리 할 수 있겠지만.. 전체적인 흐름으로 보면 이렇다는 거죠. 각각의 스레드를 동시에 처리가 불가하면 (쓰레드 종속성이 있으면), 그냥 1코어로 하나 끝내고 나서 다른 하나를 연이어서 하는거랑 크게 다를 바가 없죠. 1코어에서 IPC를 높이는 경우도 스레드 종속성과는 조금 다르지만, 비슷한 명령의 종속성 문제가 있고, 그 때문에 1코에서도 2배 크게 만든다고 2배 IPC를 실행 할 수가 수가 없습니다. 현대의 CPU 코어는 여러 명령을 동시에 실행 할 수 있는 슈퍼스칼라 코어 입니다. PC에서는 인텔 펜티엄 부터가 슈퍼스칼라 프로세서로 최대 2명령을 동시에 실행이 가능합니다. 지금은 코어당 5~6명령 이상 실행이 가능하죠. 이런 1개 코어에서도 명령의 종속성이 있다면, 그만큼 동시에 처리를 할 수가 없습니다. 여기에서 그럼 코어의 최대 명령 실행만큼 실행이 가능할 때도 있고 못할 때도 많다면 낭비인데, 실행하지 못하는 부분을 더욱 실행 할 수 있게 하자가 SMT(동시 멀티 스레딩. 인텔식 이름 하이퍼스레딩) 입니다. 하나의 코어에 2개의 스레드를 다룰 수 있게 레지스터를 2중화하고(논리적으로 2개의 코어로 보임) 2개의 스레드에서 실행해야 하는 명령을 혼합해서 동시에 처리를 합니다. 이렇게 되면, 1개의 코어에서 최대한 명령을 많이 실행 할 수 있습니다.  대충 이렇다는 겁니다. 개념상.)

　따라서 Amdahl의 법칙은 멀티 코어의 효과에 강하게 결합. CPU를 멀티 코어화 하여 많은 병렬 처리가 가능하도록 해서 전체 작업 중 병렬화 할 수 없는 부분의 비율이 많으면 결국 CPU가 순차적으로 실행하고 있는 시간이 길어져 버려, Amdahl의 법칙에 의해 CPU 성능이 오르지 않게되기 때문이다. 즉, 병렬화 할 수 있는 부분이 많다 → Amdahl의 법칙의 제약이 약화 → 멀티 코어의 병렬 처리에 의해 성능 향상. 병렬화 할 수 없는 부분이 많다 → Amdahl의 법칙의 제약이 강해져 → 멀티 코어의 병렬 처리에서 성능이 별로 향상 할 수 없다. 같은 논리가 된다.

　그리고 PC 업계 흥미로운 것은 2대 CPU 벤더 Intel과 AMD가 각각 Amdahl의 법칙에 대해 어떤 의미에서는 상반된 견해를 가지고 있다는 점이다. 양사는 Amdahl의 법칙에 대한 프리젠 테이션 및 논문, 인터뷰 등으로 말하기 시작했다. 대립 구도를 단순화 하면 다음과 같이된다.

Intel = 향후 응용 프로그램에서 병렬화 할 수 있는 부분이 크게 증가 → Amdahl의 법칙의 제약이 약화 → 멀티 / 매니 코어의 병렬 처리로 성능이 대폭 향상 할 수있다.

AMD = 현재 응용 프로그램에서 병렬화에 한계가 있다 → Amdahl의 법칙의 제약이 강한 → 멀티 / 매니 코어의 병렬 처리는 현재는 어느 정도 한계가 있다.

　따라서 양사가 그리는 멀티 / 매니 코어의 전망은 엇갈린다. 당면 데스크톱 / 모바일 PC의 듀얼 코어 화와 서버에서 4~8way 정도의 멀티 코어 화에 대해서는 양사의 노선은 일치하고 있다. 하지만 그 앞에서는 Intel이 10개 이상의 코어를 탑재하는 매니 코어로 돌진한 반면 AMD는 급격한 코어 수의 증가에 대해서는 회의적인 자세를 바꾸지 않는다. Intel이 아키텍처를 단순화한 코어를 결합 코어 수를 늘리려고 하고 있는 반면 AMD는 고성능 CPU 코어 아키텍처를 유지하려고 하는 것으로 보인다.

 

Amdahl의 법칙이 제약은 아니게 될 것으로 보는 Intel

　Intel의 연구 부문을 총괄하는 Patrick P. Gelsinger (패트릭 · P · 겔싱어) CTO 겸 수석 부사장 (CTO & Senior Vice President)는 Amdahl의 법칙의 핵심은 작업의 병렬 처리 가능한 부분의 비율에 있다고 지적한다.

　"만약 어떤 작업의 80%가 순차적으로 실행에 20%가 병렬 실행(이 가능한 부분)이라고 하면, 비록 20%를 0%로 된다 해도 작업 전체로 보면 20%의 성능밖에 향상되지 않게 된다. 그런데 20%가 순차적으로 실행에 80%가 병렬화 가능하다고 하면 훨씬 많은 성능 향상이 가능하게 된다. 그러나 (Amdahl 법칙의 제약에 대한) 문제는 작업 속에서 얼마나 이 순서대로 실행 부분에서 얼마나 이 병렬화가 가능한가 라는 점 "

　즉, CPU가 수행하는 모든 작업의​​ 병렬 수행 할 수 있는 부분이 늘어 나면 코어 수를 늘려도 활성화 된다는 것이다. Justin R. Rattner (저스틴 R · 래트너) 씨 (Senior Fellow, Corporate Technology Group, Senior Director, Systems Technology Lab)은 그 문제는 프로그램 크기의 규모와 관련 있다고 지적한다.

　"병렬화는 Amdahl의 법칙이 과제가 된다. 그러나 미래의 응용 프로그램은 Amdahl의 법칙이 제약 요소가 된다고 생각하지 않습니다. 그것은 프로그램 크기가 커지면, 순서대로 실행 부분보다 병렬화가 가능한 부분쪽이 급격히 증가하기 때문이다. 따라서 큰 프로그램 일수록 (병렬 처리) 효율이 올라간다. 그래서 대규모 병렬 슈퍼 컴퓨터가 이만큼 성공하고 있다 "

　"Amdahl의 법칙은 프로그램의 크기가 고정되어 있다고 가정하고 있다고 생각한다. 물론, 프로그램 크기가 고정되어 있으면 제한되지만, 미래의 응용 프로그램은 프로그램 크기도 확대되괴 때문에 병렬성이 높아진다 "

　Intel은 미래의 응용 프로그램은 프로그램 크기가 커질 것으로 예측하고 있다. 따라서 모든 작업 중 병렬 실행 할 수 있는 부분이 증가하고 그결과 멀티 / 매니 코어의 혜택을 받기 쉽게 된다고 보고 있다. 즉, 어플리케이션 측이 이제는 바뀌어 오기 때문에 병렬화 할수 있게 된다고 말하고 있는 것이다.

　"지금의 응용 프로그램은 직렬 스트림의 실행을 전제로 알고리즘이 개발되고 있다. 이러한 응용 프로그램을 병렬로 실행하는 것은 확실히 어렵다. 그러나 미래의 응용 프로그램의 알고리즘은 더 병렬 실행에 적합한 것으로 될 것 "(Gelsinger 씨)

　Intel은 명확하게 매니 코어가(MIC.제온 파이) 현재 응용 프로그램을 위한 아키텍처는 아니라고 말하고 있다. 그럼, 어떤 응용 프로그램을 예상하고 있는 것인가?. Intel은 멀티 / 매니 코어 시대에 대상 응용 프로그램 분야를 "RMS"라고 부르고 있다. RMS는 "Recognition" "Mining ''Synthesis '의 이니셜을 딴 것으로 인식 마이닝 (분석 & 추출) · 합성,라는 것이된다. RMS는 Intel의 Stephen L Smith 씨 (Vice President, Desktop Platforms Group)가 아시아 프레스 용으로 12월에 행한 멀티 코어 브리핑 등에 나온 키워드이다. Intel은 이 영역의 응용 프로그램 스레드 병렬성에 이 곳에 연구를 거듭하고 있다고 한다.

　"우리는 미래의 응용 프로그램에 사용될 것으로 보이는 수백 알고리즘과 커널 병렬 시스템에서의 동작을 시스템 적으로 분석해 왔다. 그 결과 발견한 것은 데이터 집합이 큰 작업의 대부분은 고성능이 필요한 작업인 것이다. 성능이 요구되는 큰 클래스(데이터 집합) 정도로 매우 병렬화가 가능하다.

　"알고리즘 안에는, 256,  500, 경우에 따라서는 1,000 스레드로도 배포 할 수 있다. 그 일례는 레이 트레이싱(광선을 물리 시뮬레이션 현실적인 음영 처리를 행하는 CG 기술)이다. 레이 트레이싱에서는 광원으로부터의 광속 추적, 각각 매우 낮은 의존성에 독립적이며 거의 완전하게 병렬화 할 수 있다. 레이 트레이싱과 같은 수 1,000 thread가 존재하는 응용 프로그램은 거의 완전한 확장성이 된다. 레이 트레이싱 정도는 아니라도 32에서 100 (스레드)의 확장성은 다양한 애플리케이션에서 얻을 수 있다. 예를 들어, 인식 관계의 알고리즘은 아주 좋은 확장성을 얻을 수 있다 "고 Gelsinger 씨는 말한다. (예전 3D 게임은 3D 가속기 이전이나 초기 시절 까지는 CPU에 의한 소프트웨어 렌더링으로 돌렸었죠. 제온파이가 본래는 라라비 라는 그래픽 카드로도 나오려고 했던 이유 (그렇다고 CPU 로 돌릴 때 처럼만 개발하라는게 아닌, D3D나 OpenGL도 지원 한다고 했었죠. x86으로 직접 개발하면 더 빠르다고. DX12에서 약간 이런 쪽으로 가고 있죠.). 또한 GPU가 그래픽 처리를 할때 100%에 가깝게 사용 할 수 있는 이유. 반대로 보통의 프로그램들은 (최대한 빨리 만들기 위해 CPU를 100% 다 사용하려고 프로그램을 만들어도) 프로그램에 따라서 100%에 가깝게 쓰기도 (이런 것도 3D 소프트 등 그래픽 프로그램이죠), 못 쓰기도 하죠. 그래픽과 다르게 의존성이 있는 경우가 많기 때문에.. 간단히 게임만 해도 누구를 때리면 맞았는지 회피했는지, 방어했는지에 따라서 그 다음이 달라지죠. 뒤의 처리할 일이 앞에 의존성이 있죠. 그에 따라서 죽으면 죽는 사운드를 내던지... 그래픽쪽에서도 죽는 그래픽을 표현한다던지.. 방어면 방어하는 모션을 보여준다던지 소리가 난다던지.. 등등..  그래픽 부분만 보면 멀티스레드로 되겠지만, 게임 전체로 보면  의존성이 있죠.

 

3D 그래픽은 막말로 단순하게  3D 부분을 1000부분으로 나눠서 각자 그리자 라고만 해도 1000 스레드가 나오죠. 1000코어 라라비가 있다고 치구요. 간혹 그래픽 카드가 멀티를 잘하고 CPU는 못한다  라고도 하는데, 그게 아니라 그래픽 자체가 그런 소프트 입니다. 예전 초기 듀얼코어 이전에 인텔 하이퍼스레딩 (SMT) 나왔을 때도 게임을 포함한 거의 모든 소프트가 속도 증가가 없고, 속도 증가가 있던 소프트는  3D렌더링 소프트나 포토샵  그도 아니면 인코딩 소프트들만 성능 향상이 있었죠. 이런 소프트들은  이미  듀얼CPU 등을 이용해서 쓰고 있었고, 또 동시 멀티로 처리가 용이하기 때문에 그런거 였죠. 하이퍼스레딩 때  조금씩  멀티스레드 프로그램이 게임등에서도 늘어나고, 듀얼코어 나오면서 더욱 멀티스레드 프로그램이 늘어나서 지금에 있죠. 이런 이유 때문에  GPU와는 다르게, CPU의 경우 특수 목적의 CPU가 아닌 보통의 PC라면, IPC를 낮추고 작고 효율적인 코어를 무작정 많이 넣어서 만드는게 아니라,  효율이 좀 떨어져도 고IPC의 코어를 넣을 수 밖에 없습니다. 일반 소프트가 거기까지 완벽한 병렬로 처리 가능한 멀티스레드가 안되기도 하고, 또 새로 나온 소프트는 그렇다고 쳐도, 기존 소프트는 어떻게 할 수가 없죠. 결국 최소한 기존 CPU보다는 1코어당 IPC가 낮아서는 안됩니다. 혹 기존보다 약간 IPC가 낮다면 그걸 만회할 수 있는 이상의 클럭으로 작동을 하던가 말이죠. 이런게 인텔에서는 펜티엄4 시리즈가 있고, AMD에서는 불도저(잠베지,비쉐라 등) 시리즈가 있죠. 제온파이(최초 라라비)는 애초에 특수 목적용이고, 또 실제로 그래픽은 취소됐지만, 슈퍼컴퓨터용 연산용이기에 작고 단순한 수십코어로 만들어도 상관이 없죠.)

 

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　Intel의 Smith 씨는 RMS 분야의 응용 프로그램의 스레드 병렬성에 대해 아래와 같은 그림도 보여줬다. 이것을 보면 전체 10 스레드의 병렬 처리에 의해 선형 적으로 성능 향상을 바랄 수 있는 응용 프로그램이 다수 존재하게 된다.

 

(누르면 커집니다.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[그림] RMS와 멀티 코어의 문서

AMD는 현재 소프트는 8 코어까지 지적

　이러한 Intel 측의 견해에 대해 AMD의 그것은 다르다. 아래는 AMD의 Fred Weber (프레드 웨버) 씨 (Corporate VP and CTO)가 2004 년 12 월에 "Lehman Brothers T4 Conference"에서 행한 프레젠테이션의 슬라이드다. 이 슬라이드는 AMD가 Amdahl의 법칙을 인용하여 기존 x86 소프트웨어에서 동시성과 멀티 코어의 문제를 다루고 있다.

 

 

[그림] AMD 프레젠테이션

　그에 따르면, 오늘은 아주 작은 수의 작업만 8 이상의 코어 혜택을 누릴 것이며, HPC (High Performance Computing)이 효과적인 분야라고 도식하고 있다. 그리고 데스크톱은 대부분의 엔터프라이즈 컴퓨팅 작업은 1개의 고성능 코어에서 밖에 거의 혜택을 받지 못하는 상태가 계속 된다고 설명하고 있다. 서버 및 워크 스테이션의 엔터프라이즈 작업이 2~8 코어 혜택을 받는다는 것이 AMD의 견해다.

　이 프레젠테이션만 보면, AMD는 8 코어 이상으로 확장은 당분간 유효 하지 않다는 입장을 취하고 있는 것으로 보인다. 소프트웨어 병렬성의 정도에 따라, Amdahl의 법칙의 제약을 받기 때문에 유효한 코어 수가 현재는 제한되는 셈이다. 클라이언트는(개인용 PC) 1~2 코어, 서버 및 웍스테이션에서 2-8 코어가 적절한 솔루션이라 AMD는 생각하는 것 같다.

　이러한 AMD의 견해는 상식적이고, CPU 업계에서도 현재의 소프트웨어 기반 정보는 AMD와 같은 견해를 가지고 가는 사람이 많다. 하지만, AMD도 매니 코어의 가능성을 완전히 부정하는 것은 아니다. AMD는 기존 x86 소프트웨어 세계에서 Amdahl의 법칙때문에 8 코어 이상 유효하지 않다고 말하고 있는 셈이다. 한편, Intel도 현재의 응용 프로그램을 매니 코어 가속화 할 수 있다고 말하고 있는 것이 아니라 미래의 응용 프로그램이라 단언하고 있다.

　그러면 포인트는 Intel이 그리는 병렬 할수 있는 미래 응용 프로그램이 얼​​마나 급속하게 일반화 하는가 하는 점에있다. 10년으로 단번에 병렬 할수 있는 소프트웨어로 이행하면 Intel의 접근이 유효하게 된다. 하지만 그렇지 않으면 급진적 매니 코어는 달리지 못하고 이것이 쓸데없는 연구 개발 투자로 억제된다.

반복되는 Intel과 AMD의 시각 차이

　관건은 소프트웨어 측이 단일 스레드 성능에 대해서는 현재 상황에서 충분, 향후 고속화는 스레드 병렬화로 데려다 주는 시작이 있을까 하는 점에있다. Intel은 "우리가 목표로하고 있는 것은 오늘날의 애플리케이션을 위한 아키텍처가 아니다. 오늘의 애플리케이션에 대해서는 이미 답변을 제공 해왔다"(Gelsinger 씨)라고 생각하고 있다. CPU 측의 구조 변화와 함께 소프트웨어도 변화해야 한다는 메시지이다.

　이 의도는 명확하다. Intel은 하드 측이 멀티 / 매니 코어로 급진하며 올리고, 소프트웨어 산업을 견인 하자는 것이다. 반대로 말하면, CPU 측에서 억지로 당기지 않는한 소프트웨어 측면의 변혁을 바랄 수 없다고 생각하고 있다. CPU에서 최대 점유율을 가진 Intel 다운 생각이다. Intel은 하드의 변혁이 소프트웨어를 당기는 형태의 전략을 취하는 것이 많아, AMD와 비교하면 소프트웨어 측의 관성을 경시하는 경향이 있다.

　AMD의 의도도 명확하다. AMD는 항상 Intel보다 소프트웨어 자산의 관성이 강하다고 본다. 따라서 AMD는 현재 소프트웨어의 성능을 올리기 위한 방법을 계속한다고 계속 말해왔다. 이를 통해 사용자의 지지를 얻어 가자는 것으로, 이것도 납득할 수 있다. 시장 점유율이 상대적으로 작은 AMD는 Intel 정도로 소프트웨어 산업을 견인하는 힘이 강하지 않았다(AMD64 이후 그것도 바뀌고 있지만)라는 사정도 그 배경에 있을 것 같다.

　이렇게 보면 Amdahl의 법칙 & 멀티 / 매니 코어의 문제는 지금까지도 몇번이나 반복되어온 Intel 대 AMD의 대 소프트웨어 전략의 차이의 새 버전이라고 잘라 말하는 방법도 있다. Intel은 소프트웨어측의 대응에 의한 성능 향상을 추구하고, AMD는 소프트웨어의 변화는 최소화하고 성능을 향상시키는 방향으로 향하는 이라는 도식이다. 예를 들어, 64bit 아키텍처는 Intel은 명령어 세트 아키텍처 (ISA)를 근저로부터 전환 IA-64으로의 전환을 요구, 대 AMD는 IA-32을 확장 한 64bit 화로 진행했다. 결과적으로는 64bit 화에서는 Intel도 AMD에 추종했다. (레지스터 구조가 다른 인텔 x64비트를 개발및 줄시전에, MS가 AMD64만을 지원하기로 하면서 인텔도 어쩔 수 없이 AMD64로 따라감)

　또한 이 구도는 기술적 도약으로 점프하고 싶은 Intel과 솔직하게 기술 진화를 계속하는 AMD는 패턴의 새로운 버전으로도 보인다.

　일반적으로 Intel은 어중간 하기 보다, 도약한 기술로 향하는 경향이있다. ISA에 한계가 있다고 말하고 IA-64을 개발하고, 병렬 버스에 한계가 있다고 해서 직렬 버스로 (PCI-Express) 향하는 식이다. 반면 AMD는 중간 솔루션의 현실적인 솔루션을 선택하는 경향이 있다. ISA 자체는 한계가 없다고 AMD64로,  병렬형 버스도 고속화가 가능하다 말하고 HyperTransport를 개발한다.

　그래서, Amdahl의 법칙을 둘러싼 두 회사의 견해 차이는 CPU의 방향성을 제시하는 중요한 열쇠가 되고있다. CPU뿐만 아니라 소프트웨어 아키텍처와 방향성에도 영향을 준다. 그것도 서버 및 데스크톱 등의 응용 프로그램뿐만 아니라 게임등 더 광대한 소프트웨어에도 영향을 미친다. 라는 것은, Cell 프로세서도 아마 Intel에 가까운 생각을 기반으로 하고 있기 때문이다.

 

2005년 1월 12일 기사. 

 

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