[분석정보] CPU 아키텍처 시대의 전환점이 되는 AMD의 "Bulldozer"

 

2011년 CPU 아키텍처를 변혁하는 Intel과 AMD

 PC 및 서버용 x86 CPU에 있어서, 아마 2011년이 다음의 큰 전환점이 된다. 단순한 아키텍처의 점환점이 아니라 10년에 한번의 터닝 포인트다.

 Intel과 AMD의 2011년 까지의 CPU 로드맵이 보여진 것으로, x86 CPU 월드 전체의 큰 흐름이 보이기 시작했다. 간단히 말하면 2004년 부터 2010년의 "멀티 코어 시대"가 끝을 맞이하여 2011년 부터는 "멀티 코어 + 벡터 확장 + 시스템 통합 시대"에 들어간다. 2011 년이 CPU 아키텍처의 방향이 다시 바뀌는 전환점이 된다. 올해 (2009년)부터 내년 (2010년)은 이를 위한 도움닫기 시기로, 관성으로 멀티 코어화가 계속되는 시기가 될 것 같다.

 지난해 말부터 올해에 걸쳐 Intel과 AMD 모두가 CPU 코어 아키텍처의 전환을 2011년에 내놓는 것을 밝혔다. Intel은 "Sandy Bridge (샌디 브릿지) "아키텍처를 AMD는 "Bulldozer (불도저) " 아키텍처를 각각 2011년에 출시 할 전망이다. 모두 멀티 코어화 뿐만 아니라 새로운 명령 확장에 의한 벡터 연산의 강화 및 시스템 통합을 통해 성능을 끌어 올리는 방향으로 향한다. 그동안은 다른 기술 트렌드의 시대에 들어간다.

 이것은 추측이 아니다. CPU 메이커의 아키텍트들(설계자) 자신이 그렇게 설명하고 있기 때문이다. CPU 아키텍처를 만드는 사람이 2011년 부터 크게 전환을 선언하고 있다. 예를 들면, AMD의 CPU 설계자인 Chuck Moore (척 무어) 씨 (AMD Senior Fellow)는 지난해 (2008년) 11월에 개최된 CPU 아키텍처의 콘퍼런스 "Micro41"의 강연 슬라이드에서 이 흐름을 간결하게 정리했다. 아래가 그 슬라이드다.

 

Micro41에서 AMD의 Chuck Moore 씨가 보여준 CPU의 흐름

 

x86 CPU 진화의 이정표가 되는 3 시대 구분

 무어는 1986년 부터 2004년 까지의 18년간을 "단일 칩 CPU 시대 (Single-chip CPU Era)"라고 부른다. 싱글 코어 시대의 것이다. 이시기는 1 개의 CPU 코어를 점점 강화하고 단일 스레드 성능 향상에 초점을 뒀다.

 다음이 2004년 부터 2010년의 6년간의 "칩 멀티 프로세서 시대 (Chip Multiprocessor ​​Era) " 즉, 멀티 코어 시대다. 이것은 기존의 연장에 있는 CPU 코어를 변형하여 호모 지니 아스 (Homogeneous : 균질) 멀티 코어 구성하는 시대에서 멀티 스레드 성능 향상에 초점한다. 이것은 현재도 계속되고 있다.

 그리고 무어는 2010년 부터 "시스템 레벨 통합 시대 (System-level Integration Era) '에 들어간다 설명하고 있다. 이기종 (Heterogeneous : 이종 혼합) 형 프로세서와 가속기 군을 통합, 시스템 레벨의 기능을 보다 통합 온칩 리소스의 고급 관리 기능을 갖춘 새로운 방향성의 CPU의 시대다. 결과적으로 멀티 스레드 뿐만 아니라 단일 스레드 벡터 성능이 향상된다. 아키텍트의 눈으로 본 2010년은 제품 레벨에서는 2011년 부터가 될 것이다.

 사실 이것과 부분적으로 유사한 것은 Intel도 말하고 있다. 아래는 2008년 봄 Intel의 기술 컨퍼런스 "Intel Developer Forum (IDF)" 슬라이드다. 여기서, Intel은 싱글 코어의 성능은 2009년 까지 매년 약 15%씩 밖에 향상되지 않지만, 2010년 이후에는 새로운 명령의 도입에 의해 가파른 속도로 증가하게 된다고 설명하고 있다. 실제로는 새로운 명령의 도입은 2011년으로 늦어졌기 때문에 이 급격한 커브가 실현되는 것은 2011년 부터다.

 

IDF Spring 2008에서 Intel이 설명한 새로운 명령의 도입과 성능 향상

 이렇게 보면 2011년의 CPU에서 CPU 아키텍처의 방향성이 바뀌고 성능 성장이 시작된다는 것은, Intel과 AMD에 공통된 인식임을 알 수 있다. 아마도 아키텍트의 머릿속에서는 2010년 까지 관성으로 단순한 멀티 코어화가 계속돼, 어느쪽인가를 말하면 중계하는 시기라는 이미지는 아닐까?

 

CPU 아키텍처의 이행이 나타내는 메이커의 목적

 Intel과 AMD의 CPU 아키텍처 이행의 흐름은 도식화 하면 충분히 판명된다. 아래가 양사의 아키텍처의 흐름을 정리한 차트이다.

 위 블루의 2 단이 각각 Intel의 데스크탑 CPU와 모바일 CPU 아키텍처 계보. 아래의 그린 단이 AMD의 아키텍처 계보이다.

 이 그림은 공정 기술이 달라도 동 계열의 마이크로 아키텍처의 경우는 같은 색으로 정리하고 있다. 예를 들면, AMD의 K8은 130nm, 90nm, 65nm에 걸쳐 있지만 모두 같은 색으로 되어 있다. 이 그림은 공정 기술보다 아키텍처에 주목하고 있기 때문이다. 아키텍처의 구분은 레드 라인으로 구분한다.

 또 마이크로 아키텍처가 달라도 유사성이 높은 경우, 바탕색을 같은 색으로 한다. 예를 들면, AMD의 현재 CPU 마이크로 아키텍처인 K10 (K8L) 시스템은 이전 세대의 K8 계를 발전시켜 부동 소수점 연산 성능 등을 끌어 올린 것이다. K10은 K8의 발전이라 생각, 계속되고 있는 것을 나타내기 위해 같은 색의 바탕으로 했다.

 각 CPU 아키텍처의 막대를 둘러싼 색상은 CPU 코어 수를 나타낸다. 회색 1코어, 블루가 2 코어, 핑크가 4 코어, 보라색이 6코어 또는 그 이상. 기본적으로 동일한 CPU 다이 (반도체 본체)에 CPU 코어를 통합한 네이티브 멀티 코어 수를 계산하고 있다. MCM (Multi-Chip Module)에 의한 멀티 코어는 그 외측의 색으로 보여주고 있다. 예를 들어, Intel의 "Merom (메롬) "은 2 코어를 나타내는 블루로 둘러싸여 있지만, 그 외측은 4 코어를 나타내는 핑크로 둘러싸여 있다.

 이 차트를 보면 무어의 지적대로 아키텍처 발전되어있는 것이 명료하게 알 수있다. 특히 AMD 쪽의 흐름은 심플하고 알기 쉽다.

 

Intel, AMD의 CPU 아키텍처의 흐름

 

 

싱글 코어의 확장이 막힌 2003 ~ 2004년

 AMD는 K7 아키텍처까지 오로지 싱글 스레드 성능 향상에 최적화 해왔다. 싱글 코어 시대의 이론에 따라 고급 Out-of-Order 실행 파이프 라인을 개발, 캐시 계층을 높이고, CPU 다이 (반도체 본체)에 캐시 취합을 계속해 왔다. 싱글 스레드 성능에 집중한 것은 그 방법이라면 기존 프로그램의 실행 성능이 CPU의 진화에 의해 향상돼 나가기 때문이다.

 그러나 2003년 부터 2004년 까지 이러한 싱글 코어 강화 노선이 위기에 빠진다. 여러 가지 이유가 복합되어 있지만, 간단히 정리하면 방대한 트랜지스터를 써서 싱글 스레드 성능을 높이는 것은 소비 전력으로 알맞지 않는 것이 되어 버렸다. 더 이상 단일 스레드 성능이 높은 CPU 코어를 만들어도 소비 전력이 한계를 넘어 버리기 때문에 실용에 이르지 않게 되었다.

 그 직후, 이번에는 "Cell 쇼크"가 온다. PLAYSTATION 3 (PS3) 용으로 소니와 IBM, 도시바에서 개발했던 Cell BE의 논문이 ISSCC에 제출된 것이 2004년으로 이시기 부터 Cell BE 아키텍처는 연구자들 사이에 알려진 존재가 되었다. 이기종 (Heterogeneous : 이종 혼합) 멀티 코어 화에 의해 기존의 CPU의 10 배의 부동 소수점 연산 성능을 제공하는 Cell BE의 접근 방식은 업계를 흔들었다.

 그래서 x86 CPU 메이커도 멀티 코어로 크게 방향을 전환한다. 싱글 코어를 강화하는 것보다 CPU 코어는 그대로 CPU 코어 수를 늘리는 것이 소비 전력당 컴퓨팅 성능을 향상 가능하기 때문이다. Cell BE와 같은 CPU와 원시 성능 격차를 해소 할 수 있다. 이 단계에서, Intel, AMD 모두 개발 중이던 보다 큰 CPU 코어의 차기 CPU 개발 계획을 취소하고 있다.

 무엇보다, AMD는 K8 아키텍처를 개발하는 단계에서 단일 스레드 성능 향상이 막힌다는 예감이 있었다고 한다. 따라서 K8은 K7에서 CPU 코어의 확장은 작게 멈추고 또한 멀티 코어 화도 처음부터 고려한 설계를 했다. 그 결과, AMD는 Intel보다 한발 앞서 2005년 네이티브 듀얼 코어로 옮겨갈 수 있었다.

CPU 아키텍처는 K8 / K10에 멈춘 멀티 코어 시대

 90nm 공정에서 네이티브 듀얼 코어를 실현한 AMD는 다음의 65nm로 네이티브 쿼드 코어를 실현했다. 이것이 Phenom 계로 그리고 45nm 세대에서는 네이티브 6코어를 서버 전용으로 투입한다. 즉, 멀티 코어 시대를 통해 1 공정 세대마다 2CPU 코어를 추가 진행, CPU 코어의 강화를 계속하고 있다.

 멀티 코어화는 계속 하지만, AMD는 CPU 코어 마이크로 아키텍처 자체는 크게 만지지 않는다. 4 코어 화와 함께 CPU 코어 자체를 K10로 확장했지만, 이것은 K8의 추가적인 발전으로 근본적으로 마이크로 아키텍처를 개혁한 것은 아니다. K10은 아키텍처 코드 네임도 나중에 붙여진 것으로, 원래는 K8 Rev. H와 K8L라는 이름이 사용되고 있었다. 즉, AMD는 멀티 코어 시대의 직전부터 멀티 코어 시대를 통해 같은 K8 마이크로 아키텍처를 계속해 쓰는 것을 계속한다.

 AMD가 CPU 코어 마이크로 아키텍처를 바꾸는 것은 2011년의 "Bulldozer (불도저) "가 되고 나서다. Bulldozer는 K8 / K10의 발전이 아니라 전체 CPU 아키텍처의 쇄신도 된다고 한다. AMD는 Bulldozer에 대해 "마이크로 아키텍처의 급진적 변혁이 될 것"이라고 작년 (2008년) 11월의 Analyst Day 컨퍼런스에서 설명했다.

 Bulldozer는 최근까지 Chuck Moore 씨가 수석 엔지니어로 개발의 총 지휘를 맡고 있었다 (현재 Moore 씨는 Chief Architect of AMD 's Accelerated Computing Initiative). Moore 씨는 IBM의 Power 아키텍처의 혁신이 되었던 Power4를 개발한 인물로, Bulldozer 팀에는 그밖의 IBM 계열의 인재가 합류하고 있다고 말한다. 지금까지의 K7 / K8 / K10 아키텍처는 구 DEC의 Alpha 프로세서 팀이 AMD에 합류해 개발한 것이다.

 재미있는 것은, Intel의 Justin R. Rattner (저스틴 R · 래트너) 씨 (Intel Senior Fellow, Vice President, Director (Corporate Technology Group) and Intel CTO)의 이전 인터뷰를 했을 때 다음과 같이 말했던 것이다.

 "아마도 미래 AMD의 CPU는 여기부터가 IBM의 흐름을 이어받는 아키텍처라고 지적 가능할 것이다. AMD가 IBM의 설계자들을 끌어들였기 때문이다. 각 디자인 팀의 디자인에는 특징이 있다 예를 들어, 구 DEC의 설계자에 의해 만들어진 AMD의 CPU (K7 / K8)는 명확히 판명된다. Alpha와 매우 비슷하다. "

 즉, Bulldozer 아키텍처로의 전환은 AMD에게 다양한 전환을 의미한다. 우선 CPU 마이크로 아키텍처의 8년만의 근본적 개혁에 있다. 아키텍트의 흐름은 구 DEC 계에서 IBM 계로 바뀐다. 그리고 CPU 아키텍처의 트렌드는 멀티코어 시대에서 시스템 레벨 통합으로의 시대로 바뀐다. 2011년의 Bulldozer로의 전환은 이처럼 AMD에게는 최대 고비로

 10년에 한번 변혁이다.

 무엇보다 AMD는 원래 2009년경 까지 Bulldozer를 가지고 올 예정이었다. 그러나 AMD와 ATI Technologies의 합병뒤의 스케쥴이 대폭 후퇴의 폭풍 속으로, Bulldozer도 2011년으로 늦어졌다. AMD는 당초 2009년에 변혁하려던 것이 2년 가까이 어긋나 버렸다. AMD에게는 2009부터 2011 년까지의 기간은 빠진 구멍을 메울 시기라는 것이다.

 

Intel CPU의 이행도

 

 

 

AMD CPU의 이행도

 

2009년 3월 18일 기사 입니다.

 

 

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