[고전 2000/02/10] 구리의 애슬론 대 알루미늄의 펜티엄3 제조 기술의 1GHz 싸움

 

드디어 1GHz가 데모 단계에

 Intel과 AMD는 드디어 1GHz 프로세서의 실물을 보이기 시작했다. AMD는 특수한 냉각 장치를 사용하지 않은 애슬론 프로세서로 1.1GHz 동작을 데모. 한편, Intel도 0.18μm 판 Pentium III (Coppermine : 코퍼마인) 코어로 1GHz 기술을 발표했다. Intel은 다음주 미국 팜스프링스에서 개최하는 자사의 컨퍼런스 "Intel DeveloperForum (IDF)"에서 1GHz의 데모를 시행하는 것으로 전망 된다.. 양사 모두 이르면 여름, 늦어도 초가을에 발매하는 1GHz 프로세서로 향해 드디어 역주에 들어갔다.

 Intel도 AMD도 1GHz가 눈앞에 있는 것은 보여줄 수 있게 되었다. 그러나 데모나 기술 발표와 제품 출하는 다른 이야기. 사용자의 손끝에 닿는 제품으로, 1GHz 프로세서가 놓이지 않으면 1GHz를 실현했다고는 말할 수 없다. 그리고 양사 모두 1GHz의 제품 출하 전에는 넘지 않으면 안되는 장애물을 몇가지 가지고 있다.

 이번 1GHz 전초전에서 재미있는 것은, AMD가 구리 (Cu) 배선 기술을 사용한 0.18μm 공정으로 데모를 하고 있는 반면, Intel가 알루미늄 (Al) 배선의 0.18μm 공정의 기술 발표를 하고 있다는 점이다. 여기에서 양사의 제조 기술 측면에서 본 1GHz의 현실성을 비교해 보자.

 

구리 배선의 AMD와 알루미늄 배선의 Intel

 Intel은 0.18μm 공정 "P858"에서는 알루미늄 배선을 사용한다. Intel은 0.18μm에서는 구리 배선을 쓸 계획이 없어, 1GHz는 이 P858을 조율해서 실현 할 전망이다.

 반면 AMD의 0.18μm 공정에서는, 이미 양산을 시작한 알루미늄 배선의 "CS50"과 구리 배선"HiP6L"의 2 종류이다. CS50는 미국 텍사스 주 오스틴의 Fab25에서, HiP6L 독일 드레스덴의 Fab30에서 생산을 한다. AMD의 처음 발표에서는 GHz는 HiP6L에서 실현하는 것으로 되어 있었지만, 경우에 따라서는 CS50에서도 1GHz 프로세서를 취할 수 있게 될지도 모른다.

 Intel은 알루미늄 배선, AMD는 구리 배선이라고 듣는다면, 구리 배선 쪽이 훨씬 유리하게 들린다. 그러나 문제는 그렇게 단순하지 않다. 그것은 (1) 새로운 소재인 구리 배선이 제조면에서 장애물을 안고 있다는 것과, (2) Intel의 P858이 알루미늄 배선인 그대로 구리 수준으로 배선 저항을 줄이는 기술을 집어넣었기 때문이다. 즉, Intel의 P858의 성능이 높고, 구리 배선에는 수율의 불안이 있기 때문에, 일률적으로 구리 배선의 AMD가 유리하다고 말할 수 없는 것이다.

 

배선 지연을 줄이는 조커가 구리 배선

 그러면 양사가 동일한 1GHz를 지향하는 과정에서, 왜 알루미늄과 구리로 길이 갈라진 것인가? 자주 오해하고 있는데, 문제가 되는 것은 구리 배선을 "도입하는가 아닌가?" 가 아니라 구리 배선을 "언제 도입 하는가" 라는 것이다. CPU 업계에서는 구리 배선 기술은 0.13μm 세대에서는 필수가 될 것으로 전망하고 있지만, 0.18μm 세대에 대해서는 의견이 엇갈리고 있다. Intel은 "0.18μm는 아직 필요없는 파" 이며 IBM과 Motorola, AMD는 "0.18μm에서 필요한 파" 라는 입장이다.

 그러면 0.18μm 공정에서 구리가 갑자기 주목받은 것은 왜인가? 그것은 공정의 미세화가 진행되면서, 배선 지연에 의해 동작 클럭을 올릴 수 없게 된다는 문제가 지적되기 시작했기 때문이다. 이것은 미세화가 진행되면 배선 피치를 작게하지 않으면 안되기 때문에, 피치가 좁혀지면 배선의 저항과 배선간의 용량이 증가하기 때문이다. 그렇다면 긴 배선에서는 배선 지연이 걸림돌로 동작 주파수를 올릴 수 없게 되어 버린다.

 이 문제를 해결 하려면 배선 저항을 줄이거나. 배선간 용량을 줄이면 좋은 것이다. 그래서 등장한 것이, 기존의 LSI의 배선에 사용되는 알루미늄 (Al) 계 소재와 비교하면 저항률이 약 절반인 구리 (Cu)를 배선에 사용한다는 방법이었다. 구리 배선은 같은 저항값의 배선을 알루미늄보다 훨씬 가늘게 실현할 수 있다. 따라서 구리 배선에 최적화해서 물리 설계를 하면, 고 클럭의 프로세서를 실현하기 쉽다는 것.

 

구리 배선의 불안 재료는 수율

 이와 같이, 구리 배선은 하이엔드 프로세서 용으로 이상적인 기술이지만 문제도 있다. 그것은 수율과 비용의 불안이다. 왜냐하면 구리가 칩 소재인 실리콘에 융해되어 contamination (오염)을 일으키기 쉬운 전형적인 불순물이기 때문이다. 구리 배선을 채용하는 업체는 그 오염을 막는 기술을 개발했지만 그 유효성이 아직 IBM 외에는 그다지 입증되지  않았다.

 Intel이 우려했던 것도 수율 그점이다. 예를 들면, Intel의 로널드 E 커리 씨 (디렉터 오브 마케팅, IA-64 Processor ​​Division)은 지난해 9월 IDF에서 다음과 같이 말했다. "구리 배선 기술의 평가는 하고 있지만, 문제는 수율이 나쁜 것이다. 그것도 아주 나쁘다는 조사 결과를 얻었다. Intel은 90% 이상의 높은 수율을 바라기 때문에 구리 배선을 바로 채용하는 것은 할 수 없었다. 그러나 0.13μm의 때가 되면 그러한 문제도 해결되어 있을 것 " (인텔이 시장을 선도한 것은 장기적 전체적으로 볼때 성능이 앞섰기 때문도 있지만 (순간적으로는 AMD가 앞서거나 비슷한 시기도 있음), PC 회사에 충분한 물량을 공급해 줄 수 있는가도 큽니다. 물량 공급 자체를 제대로 못한다면, 각 회사에서 주로 쓸 수가 없겠죠. 이런걸 아주 잘 볼 수 있는게, AMD64 시절이구요. 성능상 AMD64가 인텔 프레스캇을 앞섰음에도, AMD의 생산량이 x86 전체 시장의 최대 20% 전후 가량밖에 공급을 못하기 때문에 점유율도 거기에 묶여 버린 것 말이죠 (근본적으로 양사의 FAB 수가 다릅니다). 인텔은 생산량이 많아서 시장을 잡기도 하지만, 반대로 각 PC 제조사에 대해 공급할 의무? 를 지기도 합니다.)

 즉, Intel은 확실한 수율을 바라기 때문에, 구리 배선이라는 모험을 하지 못했다는 것이다. 각사의 수율은 공표되지 않기에 알수 없다. 그러나 AMD가 구리 배선 기술에서 기술 제휴한 Motorola 자체가 PowerPC G4의 구리 배선 버전에서 고전하고 있다 (구리 SRAM은 잘되고 있다)라는 보도가 자주 나온다. 이러한 우려가 PC 업계에 있기에, AMD는 구리 배선에서 1GHz 제품을 내는 경우에는, 수율에 문제가 없는것을 실증하고, 실제 풍족하게 출하하지 못하면 안되는 것이다.

 AMD는 HiP6L 버전 Athlon (아마 Mustang)에 대해 "2분기 말부터 매출에 기여한다", 즉 6월까지는 출하가 시작된다. 이 시점에서 AMD가 어느정도의 수량을 출하 할 수 있을지가 주목 될 것이다. 만약 AMD가 여름까지 충분한 수의 HiP6L 버전 Athlon을 출하 할 수 있고, 게다가 최초의 클럭이 1GHz에 도달한다면, 1GHz의 싸움에서 AMD가 리드 하는 것이 가능하다.

 

Intel은 교묘한 재주로 배선 지연을 해결

 한편, Intel은 구리 배선을 사용하지 않는 대신 알루미늄 배선과 저 유전율 막의 조합으로 고클럭을 실현 할 수 있는 공정 기술을 찾았다. 그 결과가, P858이다. 이 P858의 특징에 관해서는 "98년 가을 IDF에서 Intel의 알버트 유 상급 부사장이 설명했다. 그에 따르면, Intel은 긴 배선에 사용되는 상층을 두껍게 하고, 배선의 단면이 직사각형이 되도록 형성하는 것으로, 저항의 증가를 억제한다. 이것을 단순 개념도로 하면 다음과 같다.

공정의 차이에 의한 단면의 차이

 

왼쪽부터 0.25μm 공정 배선의 단면, 0.18μm 공정 구리 배선의 단면,

Intel의 0.18μm 공정 알루미늄 배선의 단면

 즉, 구리 배선은 0.18μm로 미세화 할 때, 그대로 배선도 가늘어져 버려도 저항률이 낮기 때문에 문제가 없다. 그러나 알루미늄은 가늘어지면 저항이 증가해 버려 배선 지연이 생긴다. 따라서 Intel은 (위에서 보면 좌우 폭은 좁지만, 옆에서 보면 위아래가 높은, 더 쉽게 설명하면 배선을 기차라고 표현하면, 폭이 좁은 2층 기차로 만든 것)세로로 길게하는 것으로 피치를 좁게 유지하면서 저항의 증가를 억제 했다는 것이다.(저항은 재료에 따라서 저항이 다르며, 같은 재료일때 저항은 부피가 크면 적어지고, 적으면 커지죠. 다르게 말하면 수도 파이프를 생각해도 되죠. 파이프가 굵으면(저항이 작으면) 물이 꽐꽐 나오고, 좁으면(저항이 크면) 찔끔찔끔 나오죠.)

 왠지 콜럼버스의 달걀 같은 이야기로, 이것으로 문제가 해결 가능하면, 어느 메이커도 Intel과 같은 것을 하면 된다고 생각 할지도 모르지만, 그렇게 할 수도 없다. 지난해 10월 Microprocessor ​​Forum 세미나 Keith Diefendorff 씨 (Microprocessor ​​Report의 수석 애널리스트)가 행한 설명에 따르면, P858처럼 두께와 높이의 비율을 크게해서 배선을 형성하는 것은 제조 때 어려운 것 이라고 한다. Intel은 이 높은 비율을 안정적으로 형성하는 독자 기술을 개발해서, 타사가 바로 흉내 낼 수 없는 것 같다.

 

Intel은 CPU 아키텍처에서 불리

 Intel의 P858은 이처럼 알루미늄 배선이면서 고클럭화가 쉽게 개발되고 있다. 이것이 1GHz를 목표로 삼는 대한 Intel의 장점이다. Intel은 AMD와 같이 구리 배선으로의 이행이라는 위험을 지고있지 않다. Intel은 P858 공정에 개량을 더해서, 한층 고 클럭화를 실현할 수 있도록 가져 온다고 생각한다.

 예를 들면, Intel은 0.25μm 에서도 공정에 개량을 더해서 성능 향상을 도모했다. "Intel Technology Journal"의 Q3' 98호에 따르면, 인텔의 0.25μm 공정 "P856"를 개량한 "P856.5" 공정은 광학적으로 5% 축소해서 18% 게이트 지연을 향상 시켰다고 한다. 즉, 실질적으로 0.22μm 정도가 되었던 셈이다. 0.18μm (P858)에서도 당연히 이러한 개량을 도모 할 것으로 보인다. Intel이 안고있는 하나의 문제는 그러한 공정의 개량에 시간이 충분한가 어떤가 이다. 훌륭히 가지 못하는 경우는 Pentium III의 1GHz은 가을까지 그다지 물량을 취할 수 있도록 되지 못한다는 가능성도 있다.

 그 밖에도 인텔 에게는 불리한 점이있다. 그것은 Pentium III (P6) 코어와 Athlon 코어에서는 Athlon 코어 쪽이 더 높은 클럭화가 쉽다고 보인다는 것이다. Athlon이 더 파이프 라인이 깊고(길고), 내부 아키텍처도 보다 세련되었다. 실제로, 0.25μm 세대의 공정으로 제조한 Pentium III의 최고 클럭이 600MHz였던 것에 비해, Athlon의 0.25μm의 최고 클럭은 700MHz였다. (파이프 라인이 긴 것은 성능에 보통 안좋다고 말하기도 하죠. 펜티엄4 윌라멧, 노스우드의 20단계 파이프라인에서 31단계 프레스캇으로 갈 때도 이 얘기가 나왔구요. 인텔도 그에 대한 대책으로 프레스컷은 2배큰 캐쉬 메모리와 더불어서 분기 예측 회로를 강화 시켰습니다. 분기 예측이 100%가 될수 없는데, 분기 예측이 틀렸을 때 긴 파이프인 단계를 다시 시작해서 와야 하기 때문에 성능상 좋지 않죠. 이런 점도 있기는 한데, 이미 긴 상태로 타사의 제품과  동클럭에서 주거니 받거니 할 성능이라면, 성능 문제를 뭐라고 할 수가 없죠. 파이프 라인이 긴 것이 그럼 무조건 안좋은가? 라고 하면 그렇지는 않고, 클럭을 더 쉽게 올릴 수 있습니다.)

 이 것은 공정 기술의 성능이 같은 정도면 애슬론 쪽이 펜티엄 3 보다 클럭이 높아질 가능성이 높다는 것을 의미한다. 현재 상황에서, Pentium III가 Athlon과 클럭 경쟁에서 어떻게 든 경쟁하고 있는 것은 AMD의 알루미늄 배선 0.18μm 공정 (CS50)보다 Intel의 P858 쪽이 우수하기 때문.

 

구리 배선판 Athlon에는 Willamette으로 대항?

 

 이러한 기본 아키텍처의 우수성 때문에, 애슬론은 CS50에서 1GHz를 달성 할 가능성도 있다. AMD는 CS50 기반의 차세대 Athlon으로서 512KB 정도의 2차 캐시 SRAM을 통합 한 "Thunderbird (썬더버드)"를 계획하고 있는데, 이 Thunderbird에서 어느정도 한정된 양이라면 1GHz 제품을 채취하게 될지도 모른다. (원천적으로 동일 설계의 제품은 같은 라인에서 동일하게 만들어 집니다. 이후 테스트를 통해서 불량, 수준미달, 양품 등으로 분류되며 양품은 테스트에 따라서 1Ghz, 900Mhz, 800Mhz, 700Mhz 등으로 출하 됩니다. 수준 미달은 아예 클럭이 너무 낮다던가 (전력을 높게 줘야 가능하다던가)... 이런 것들. 요즘처럼 같은 아키텍처라도 아예 설계수준에서 2코어냐, 4코어냐 이런것은 서로 다른 라인이지만, 또는 제품에 따라서 코어수가 같아도 원천적으로 설계상 캐쉬가 작은 경우도 있고 이 경우는 다른 라인. 캐쉬 차이가 적은 경우는 캐쉬쪽에서 약간의 불량이 있는 제품을 소용량 캐쉬 버전의 저가형으로 판매, 아닌 것은 그보다 한단계 높은 제품으로 판매 하기도 하고요. AMD 쪽에서는 최대한 활용을 하느라  원래 2코어 4코어가 설계가 다르지만, 4코어 버전에서 불량인 것도 2코어로, 또는 캐쉬 불량인 것을 L3 캐시 없는 4코어로 등등 최대한 활용을 해서 이득을 취하려고도하기도 했지만요.

 

어쨌든 클럭이 다른 것은 따로 만드는게 아닌, 같은 제조품에서 고클럭으로 동작 가능한 제품을 선별하는 겁니다. 그래서 고클럭 제품은 성능이 높아서 가격이 높은 것도 있지만, 애초에 고클럭으로 작동이 되는 애들을 선별해서 파는거라서 수가 적기 때문에 비싼 겁니다. 비슷한 것으로 아예 별도 저전력 공정이 아닌, 같은 공정에 동클럭이며 저전력 버전이 있다면 그것 역시 선별한 제품 입니다. 후에 나오는 스테핑 개량판은 별개. 이건 약간의 설계 변화를 준 것 입니다.)

 그러나 CS50의 Thunderbird에서는 1GHz를 채취해도, 제품 믹스의 상당한 비율을 1GHz 이상으로 끌어 올리는 것은 어렵다고 생각된다. 마찬가지로 제한된 양의 1GHz 제품이 채취 될 것으로 보이는 Pentium III와 호각 이상으로는 싸울 수 없을 것이다. 그렇지만 HiP6L이 순조롭게 일어서면 상황은 달라진다. 1GHz 제품을 대량으로 생산해서 2001년에 메인 스트림으로 취해서, 한층 오버 1GHz로 이행해 가는 것이 가능하지도 모른다. 그렇게되면, 공정 기술의 우위성이 사라지기 때문에, Pentium III가 압도적으로 불리하게 되어 버릴 가능성이 높다.

 그렇지만, Intel은 지금에 와서, OEM 메이커에 올 가을 데뷔 할 차세대 CPU "Willamette (윌라멧)" 을 강하게 내새운다고 말했다. Willamette은 Pentium III보다 고클럭화가 용이한 설계가 되어 있으며, 같은 공정 기술로도 Pentium III보다 몇 퍼센트 높은 클럭을 실현할 수 있다고 알려져있다. 데뷔시의 클럭은 1.4GHz라고 알려져 있다. 즉, Intel은 HiP6L 버전 Athlon에는 Willamette으로 대항하려고 한다. AMD는 1GHz를 넘어서도 아직 안심할 수 없는 상황이 계속된다.

 

 

 

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