[분석정보] 이스라엘에서 발신되는 인텔의 차세대 CPU 기술

 

 

북 이스라엘에 있는 Intel 디자인 센터

　Intel은 이스라엘 북부 도시 하이파 (Haifa)의 개발 시설 "Haifa Design Centre (하이파 디자인 센터) '에서 동 센터의 CPU 개발의 기본 전략을 설명했다. 동 디자인 센터는 Intel의 Mobility Group 하에서 많은 모바일 CPU를 개발하여왔다. 그 중에는 '0.25μm 판 MMX Pentium (Tillamook : 틸라무크) ""Pentium M (Banias 바니아스 / Dothan 도썬) ""Core Duo (Yonah : 요나)', 'Core Microarchitecture (Core MA)'이 포함된다. 또한 2010년(말)의 차 차세대 마이크로 아키텍처 "Sandy Bridge (샌디 브릿지) '도 여기서 개발되고 있다고 한다.

 

하이파 디자인 센터

 

 

 

Intel 이스라엘 간판

 

 

센터 외관

 

 

하이파 디자인 센터의 CPU 개발의 초점은 소비 전력을 낮추는데 있다. TDP (Thermal Design Power : 열 설계 전력)를 낮추는 것은 물론이고, 평균 소비 전력의 절감에 초점을 두고 있다고 한다. 따라서 CPU의 유휴(아이들) 누설 전류 (Leakage)를 저감하는 기술을 개발해 왔다.

　그리고 이 센터의 절전 기술은 정확히 시대에 부합했다. 노트 PC뿐만 아니라 데스크탑 PC에서도 TDP뿐만 아니라 유휴 전력 소비의 삭감이 요구 됐기 때문이다. 서버도 컴퓨팅 밀도를 높이기 위해 전력 삭감이 급선무가 되고,이 센터에서 개발한 Core MA가 전체 시장의 요구에 부응하게 되었다.

　또한 전력 절감과 동시에 Intel은 TDP 범위에서 최대한 성능을 발휘하는 터보 모드의 적용을 확장해 나갈 것이다. Intel이 향후 CPU에서 구현하려고 하는 터보 모드는 Penryn의 설명이었다. 하나의 CPU 코어가 유휴 상태이고 다른 하나는 활동중 일때에 한정되는 것은 아니다. 온도가 기준 이하일 때와 플랫폼의 온도가 낮을​​ 때 등, 다양한 기회를 포착 주파수를 업 한다고 한다.

　하이파 디자인 센터의 CPU에 구현 된이 기술은 Intel 전체로 이전되고있다.

 

점점 강해지는 전력 절감에 대한 압력

 

Ron Friedman (론 프리드먼) 씨

 

　Intel의 Ro​​n Friedman (론 프리드먼) 씨 (Vice President, General Manager, Mobile Microprocessors Group)는 동 센터가 낳은 Pentium M (Banias : 바니아스)의 목적은 올라가는 방향인 모바일 CPU의 TDP 곡선을 "구부리다"에 있었다고 설명한다. 동일한 25W의 TDP라면 Pentium 4 (NetBurst) 마이크로 아키텍처보다 더 성능이 높게 만든다. 그리고 Pentium 4에서는 실현 될 수 없었던 5W 수준에서 적당한 성능의 동작을 실현한다.

 

Banias 성능 / TDP

　Friedman 씨는 이 센터가 모바일용 프로세서 개발에서 시작했지만 현재는 전체 시장을 커버하고 있다고 설명했다. 그 이유는 소비 전력이 모든 시장에서 중요하다 지적했다.

　예를 들어, 데스크톱은 엔터테인먼트 PC로 거실에 맞추기 위해 SFF (Small Form Factor)에 들어가는 낮은 TDP 화에 대한 압력이 높아지고 있다. 이것은 일본에서는 이전부터 당연한 이야기​​ 이지만, 일본 이외의 시장에서도 간신히 그러한 움직임이 활발해지고 있다.

　그리고 새로운 요소로 올해 (2007 년)에 유휴 전력 소비 감소도 요구되게 되었다고 한다.

 

 

 

데스크톱 시장에 영향을 미치고 있는 요소

"데스크톱 시장에 영향을 주고 있는 또 다른 요소는 그린 PC 정책이다. 여러 종류의 정책이 저전력 친환경 컴퓨팅을 추진하고 있으며, 그 중 하나가"Energy Star "스펙이다.

　Energy Star는 다양한 컴퓨팅 플랫폼의 전력 소비를 규정하고 있다. 많은 정부 기관이나 기업이 "OK, 만약 데스크탑, 서버 및 노트북 PC를 우리에게 팔고 싶다면, Energy Star 사양에 따른 것이 필요하다. 그렇지 않으면, 소량 밖에 사지 않을 것"이라고 말했다. 따라서 그린 PC 정책은 데스크톱 아주 중요한 전력 절감의 요소다.

　SFF의 흐름은 낮은 TDP를 추진하는 요소가 되고 있다. 그러나 (데스크탑 PC) 유휴 전력에 관해서는 명확하게 Energy Star가 큰 추진력이 되고 있다 "고 Friedman 씨는 설명한다.

 

Energy Star 4.0이 데스크톱의 아이들 전력 절감을 견인

　Energy Star는 미국 환경 보호국 (EPA)와 미국 에너지 부 (DOE)가 추진하는 전자 기기 절전 프로그램이다. 본디 Intel에 따르면 SL Enhanced 486 개발과 동기화 태어났다. 강제력은 없는 그럼에도 불구하고 미국에서 큰 영향력을 가지고 있다. 왜냐하면 미국 정부 기관의 대부분이 원칙적으로 Energy Star에 부합하는 장비를 구입하기 때문이다. 미국 정부는 세계 컴퓨터 시장 최대 고객이기 때문에 PC 제조 업체에 미치는 영향은 크다. 그리고 올해 (2007 년) 7월에 발효된 새로운 버전의 Energy Star 4.0은 PC의 아이들시의 소비 전력에 대해 다음과 같이 규정 되었다.

Energy Star 4.0은 데스크톱 PC는 3 종류로 나뉘며, 각각 유휴(아이들) 전력이 정해져 있다.

범주A가 싱글 코어 단일 프로세서 시스템에서 아이들 전력은 50W 이하.

범주B가 멀티 코어 또는 멀티 프로세서 1GB의 시스템 메모리를 갖춘 시스템 유휴(아이들) 전력은 65W 이하.

범주C가 멀티 코어 또는 멀티 프로세서와 128MB 이상의 전용 비디오 메모리가 있는 GPU를 갖고 게다가 다음의 3가지 특징 중 2개를 갖추었다면. (2GB 이상의 시스템 메모리, TV 튜너 또는 HD 해상도의 비디오 캡처 기능, 2 개 이상의 HDD.) 아이들 전력은 95W 이하.

　즉, Energy Star 4.0을 준수하기 위해서는 CPU 벤더는 멀티 코어 오피스 데스크톱 PC의 아이들 전력을 65W로 유지해야 한다. 전체 시스템에서 65W이므로 CPU는 대충 말해 20W 정도 또는 그 이하로 가져갈 필요가 있다고 추정된다. 따라서 데스크톱 CPU는 아이들 전력 저감이 큰 과제가 되고있다.

평균 소비 전력을 크게 절감해 온 이스라엘 CPU

　하이파 디자인 센터의 디자인이 이러한 환경에 맞는것은 이 센터가 아이들시의 소비 전력 절감에 주력해 왔기 때문이다. 이 센터 설계의 Core MA 등은 낮은 TDP 만이 주목 받기 쉽상이지만, 실제로는 평균 소비 전력의 절감이 더 눈부시다.

 

[그림] 성능 / 와트 동향

　위쪽이(원문은 오른쪽이: 그림이 오른쪽에 있음) Friedman 씨가 보여준 그림으로 TDP 대비 성능을 나타내는 성능 / 와트와 평균 전력 소비에 대한 성능을 나타내는 성능 / 평균 전력이 늘어남을 나타내고 있다. 모두 Pentium 4 Banias의 이행으로 인한 향상 분을 100%로서 이후 하이파 디자인 센터 설계 CPU의 세대 간 신장을 나타내고 있다. Penryn 에서는 성능 / 와트는 200% 늘어나고, 성능 / 평균 전력은 350%나 늘어났다. 상대 값이지만, 지금까지의 5세대에 평균 소비 전력 감소 비율이 더 컸다는 것을 잘 알수 있다.

　Penryn에서 평균 소비 전력을 크게 줄일 수 있었던 이유는 Penryn의 각 동작 스테이트의 전력 분석을 보면 잘 알수 있다. 아래 그림의 왼쪽은 최고 주파수 모드 (High Frequency Mode) 때 왼쪽에서 두번째가 낮은 주파수 모드 (Low Frequency Mode) 때, 세번째가 Pentium M까지 깊은잠 스테이트 인 'Deeper Sleep State "때 맨 오른쪽이 Penryn에서 구현된 "Deep Power Down (C6)"스테이트 시간을 나타내고 있다. 소비 전력 속의 빨간 부분은 트랜지스터의 동작에서 발생하는 활성 성분, 녹색 부분은 트랜지스터에서 누설 누설 전류 (Leakage)에 의한 정적 성분이다.

 

 

 

Penryn의 전력 구성

　CPU가 절전 모드에 들어가면 트랜지스터는 OFF되므로 전력 소비는 누설 전류에 의한 것만이 된다. 그리고 눈에 띄는 것은 Penryn에서는 오른쪽 끝 스테이트시의 전력 0W로 있다는 점이다. 엄밀하게는 0W 대신 0W에 가까운 초 저전력이라는 뜻이다.

　대부분의 PC용 응용 프로그램은 사용 시간의 대부분 CPU가 아이들 상태에 있다. 따라서 아이들 전력 소비를 억제하면 평균 소비 전력을 낮출 수 있다 Friedman 씨는 설명한다.

　그림을 보면 알 수 있듯이 Penryn에서도 활성화시의 정적 성분도 엄청난 전력 소비되고 있다. TDP인 35W 중 31%인 11W가 누설전류에 의한다. 현재 고성능 CPU는 TDP 중 1 / 3 이상 많은 경우는 절반 정도를 누설 전류가 차지하지만, Penryn에서도 그 점은 변함 없다. 따라서 활성시의 누설 전류를 감소에 집중하면 Penryn에서 더 TDP를 낮출 여지가 있는 것으로 보인다. 그러나 Friedman 씨는 슬립때의 저소비 전력화로 더 집중할 것을 시사한다.

　"CPU의 전체 시간 중 고 클럭 모드 저 클럭 모드 슬립 스테이트 각각이 차지하는 비율을 볼 필요가 있다. 또한 배터리 구동 시간에 최적화 하자면, 각부 전력 스테이트가 얼마나 비율이 되는지도 생각해야 한다. 단순히 전력을 감소시키는 것은 아니다. 아마 여기 (고주파 모드)는 전체 시간 중 5% 밖에 차지 않을 것 "

　물론, 모바일 및 데스크톱 및 서버는 아이들때 제어도 이야기가 달라진다. 그러나 현재의 그린 PC의 흐름이 보여주는 것은 데스크탑 보다 공격적인, 모바일 같은 아이들 전력 제어가 중요해질 것이다.

 

 

 

Deep Power Down 기술 개요

 

쿼드 코어 CPU의 평균 소비 전력은 11W 수준에

　아래는 Friedman 씨가 보여준 데스크탑 CPU의 아이들 소비 전력의 흐름이다.

　"2007년에 (아이들 전력이) 크게 줄었다는 Energy Star 스펙이 발효된 때문이다. 70W에서 10~20W로 줄였다. 그러나 같은 속도로 (데스크탑 PC) 아이들 전력을 절감 할 수 없을 것이다. 2005년에는 아무도 데스크톱의 아이들 전력에 주의를 기울이지 않았기 때문에 전원이 컸다. 그래서 큰 감소를 할수 있었다. 그러나 앞으로의 아이들 전력 절감은 더 어려워져 갈 것이다.

　2008년과 2009년 예상에서 (Energy Star) 스펙이 더 낮아질 가능성까지 있다. 그러나 저소비 전력화가 나아가면 더 이상 절전하기 어려운 때가 온다.

　또한 그림에서 쿼드 코어와 듀얼 코어가 교차하고 있지만,이 숫자는 정확한 것은 아니다. 기본적으로 듀얼 코어와 쿼드 코어는 모두 동일한 수준의 아이들 전력 아마 11W 정도에 다가갈 것 "

　그림의 2008년과 2009년은 Intel의 오리건 주 힐스보로 디자인 센터에서 설계하고 있는 "Nehalem (네할렘) '을 겨냥한 아이들 전력을 보여주고 있다. 이것은 Nehalem이 데스크톱 CPU에서 매우 적극적인 아이들 전력 절감을 도모할 것을 제안하고 있다.

 

아이들 파워 동향

C6 스테이트를 위해 독립 전원의 SRAM을 구현한 Penryn

　모바일에서 Penryn의 아이들시의 소비 전력이 매우 낮은 이유는 Penryn에서 구현된 "Deep Power Down C6"스테이트에 있다. C6에 따라 Penryn에서는 CPU가 대기 전력을 크게 낮출 수 있게 되었다.

　C6 스테이트가 극단적으로 전력 소비를 줄일 수 있는 비밀은 CPU의 대부분에 공급하는 전압을 기존 CPU보다 낮게 낮추는 점이다. 왜냐하면 C6 스테이트는 CPU 코어의 스테이트를 유지할 만한 전압을 걸 필요가 없기 때문이다. 이전에는 CPU 코어의 레지스터 등에 스테이트를 유지 할 수있는 전압 레벨이 CPU 코어 전압을 낮출 때의 하한이 있었다.

　그래서 Penryn에서는 CPU에 CPU 코어의 스테이트를 대피시키는 독립 전원의 SRAM 영역을 구현. CPU 전체의 전압을 떨어 뜨려도, CPU 스테이트를 CPU에 유지할 수 있도록 했다. 알기 쉽게 비유하면, 비상등을 부여해 메인 조명을 아주 어둡게 할 수있게 된 것이다.

　아래 그림이 Penryn의 전력 절약 스테이트이다. 스테이트는 C1에서 C6까지 섬세한 단계로 나누어져 있고, 아래 그림의 오른쪽으로 가면 갈수록 전력 소비가 적어진다. 그러나 낮은 누설 전류의 반대급부로(trade-off) 활성 상태로 복귀하는 데 걸리는 시간 (Wakeup time)이 길어진다. "CPU가 슬립 상태의 전력을 줄이기 위해 해야​​ 할 일은 누설 전류를 줄이면서 빠른 응답 시간을 얻을 수 있도록 하는 것이다"라고 Friedman 씨는 절전 스테이트 개발의 포인트를 설명한다. 실제로 Intel 이스라엘 디자인 센터는 현실적인 웨이크 업 시간 속에서 더 적은 누설 전류를 실현하기 위해 새로운 절전 상태를 개발해왔다. C6은 그 최신판이다.

　Penryn에서는 이 C6와 터보 모드인 'Enhanced Dynamic Acceleration Technology (EDAT)'에 따라 유휴(아이들) 전력을 억제하면서 최대 성능을 끌어 올린다. 그리고 그 사상이 대상 CPU에도 계승되어 가는 것으로 밝혀졌다. 다음 기사에서는 "Silverthorne (실버 손)"프로세서의 키 기술이기도 한 C6 대한 자세한 내용과 Nehalem 세대로 확장되는 터보 모드의 전개에 대해 소개하고자 한다.

 

Penryn 패밀리의 Deep Power Down 기술

 

 

Penryn의 Deep Power Down 기본 개요

 

 

 

2007년 12월 11일 기사 입니다.

 

 

[아키텍처] 환경 조건을 이용하여 성능을 끌어 올리는 터보 모드

 

 

[분석정보] 평균 소비전력을 크게 줄일 Penryn의 C6 스테이트

 

 

[고전 2001.02.06] 2010년 CPU 소비 전력은 600W?

 

 

[정보분석] 인텔 45nm 공정 차세대 CPU Penryn(펜린) High-k 메탈게이트 성공

 

 

 

[벤치리뷰] 저렴한 울프데일 E7200 리뷰

 

 

[분석정보] 전면 개량이 아닌 부분 개량에 머문 Penryn