[분석정보] Intel의 개발 책임자에게 듣는, Skylake 개발 비화

Intel 부사장 겸 클라이언트 개발 사업부 사업 부장 샤르미트 와이스 씨.

오른손 (사진 왼쪽)이 S 프로세서, 왼손 (사진 오른쪽)이 Y 프로세서 (Core m)

Intel이 IFA 기간 동안 발표한 Skylake  6세대 Core 프로세서는 14nm 공정 세대의 새로운 마이크로 아키텍처를 채용한 제품으로 주목을 받았다. CPU의 내부 실행 효율이 개선된것 이외에, GPU가 9세대 (Gen9)의 GPU로 진화하며, 새롭게 GT4라는 72EU 실행 엔진을 가진 모델이 추가된 외에, GT3 이상은 전부 eDRAM 이 탑재되게 된다는 점이 큰 진화 포인트다.

 Intel 부사장 겸 클라이언트 개발 사업부 사업 부장의 샤로미트 와이스 씨는 "Skylake의 개발은 4년 전부터 시작했다. 당시에는 U / H / S를 생각하고 개발했지만, 그 시장의 요구로부터 4.5W의 Y 프로세서를 더하는 것이 됐다. "고 말하며, Skylake의 개발 도중에 약간의 궤도 변경을 한것을 밝혔다. 와이즈 씨에 따르면 당초는 성능에 기울고 있었던 Skylake 설계는 그 단계에서 크게 변경되어 절전력과 성능의 균형을 취하는 방향으로 기울었다고 밝혔다.

 또한 와이즈 씨는 Skylake 세대에서는 채용되지 않은 FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator)에 관해서는 "성능과의 트레이드 오프로 탈락했지만, 미래 성능과 양립 할 수 있게 되면 다시 채용한다"고 말하며, 미래 세대의 CPU 에서 FIVR를 탑재 할 가능성이 있다고 시사했다.

Skylake의 개발이 시작된 당시, Y 프로세서의 요구는 없었다

 Intel이 발표한 Skylake에는 4 종류가 준비된다. 그것이 Y 프로세서 (Core m 브랜드, 태블릿), U 프로세서 (얇은 노트북 PC), H 프로세서 (고성능 그래픽의 H, 주로 풀 사이즈 노트북 PC), S 프로세서 (데스크탑)의 4 종류이다.

Intel이 발표 한 Skylake의 4개의 제품군 (출처 : 인텔 주식회사)

 Skylake의 특징은 하나의 CPU 아키텍처를 바탕으로, 4.5W의 Y 프로세서 (Core m)부터 91W가 되는 S 프로세서까지 커버 가능한 것이다. 언뜻 보면 Broadwell 시대와 같은 보일지도 모르지만, Broadwell 시대에는 S 프로세서가 없고, H 프로세서까지 있었다. 그러나 마케팅의 요구로 급히 Broadwell-C (원래 Broadwell-K)라고 부르는 제품이 올해 (2015년) 6월의 COMPUTEX TAIPEI에서 추가되었는데, 이것은 H 프로세서의 다이에서 파생된 제품으로서, 데스크탑용 S 프로세서로서 전용으로 만들어진 것은 아니다.

 와이즈 씨에 따르면 Skylake 개발이 시작된 4년 전 당시에는 사실 Y 프로세서의 계획은 없었다고 한다. "Skylake을 개발한 당초 Ultrabook 용 U, 데스크탑 용 S, 고성능 그래픽 용 H의 3 가지 패밀리의 계획이 있었다. 실제로 프로젝트를 실행하다, 4.5W에 동시에 고성능인 제품을 바란다는 요구가 나왔다. 그래서, 고성능과 저전력 양방을 양립시키는 설계로 변경했다. 이것은 팀에게는 큰 변화였다 "고 설명한다. 4년 전이라고 말하면, 2011년이 되는데, 겨우 Ultrabook 계획이 전달되기 시작한 때로, 즉 그 당시에는 Core 프로세서를 이용해서 태블릿을 만든다는 생각은 없었다는 것이 된다.

 실제, Intel이 Y 프로세서의 계획을, OEM 업체에 전한 것은 2012년에 들어서부터로, 최초의  제품이 2013년 CES에서 발표된 제 3세대 Core 프로세서 (개발 코드명 : Ivy Bridge )의 Y 프로세서로 TDP는 13W, SDP에서 7W라는 제품이었다 (Y 프로세서의 첫 번째 제품 기사는 여기 ). 그 후, 제 4세대 Core 프로세서 (개발 코드명 : Haswell)는 TDP에서 11.5W, SDP 4.5W라는 제품이었다. 어떤 제품도 TDP로 부터 상상하면 원래는 15W의 U 프로세서를 기반으로하여 선별 품으로 만들어졌을 가능성이 높다. 실제 Intel은 때때로 이런 방법을 사용하고 있으며, 옛날에는 모바일 Pentium III 시대의 ULV (Ultra Low Voltage) 버전이 그 수법으로 만들어졌다.

 이와 비교해, Haswell의 미세화 판인 Broadwell에서는 미세화 버전이라 말하면서도 실제로는 꽤 손을 썼기 때문에, 더 낮은 TDP가 실현 가능하게 되었다. Core M에서 TDP 4.5W에서 작동하는 것이 가능하게 되었다. 이것이 진정한 Y 프로세서이며, 실제 OEM 메이커로부터도 얇고 가벼운 새로운 MacBook과 같은 노트북 PC나 2-in-1 장치 등이 등장했다.

 이상이 Y 프로세서의 역사인데, 그 Y 프로세서가 OEM 메이커에 통지되기 시작한 것이 2012 년 이라는 것으로,  아마 그 근처에서 큰 설계 변경, 즉 TDP 4.5W를 타겟으로 한 설계가 의식되기 시작한 것이다.

고성능에 저소비 전력이 실현 가능한 비밀은 세밀한 전력 제어

 그 설계 변경시인지, 그 이전부터 있었는지는 불분명 하지만, Skylake에 탑재된 절전 기능은 매우 강력하다. 와이즈 씨는 "Skylake의 설계에서 가장 힘들었던 것은 성능과 전력의 트레이드 오프다. 트랜지스터를 늘리면 성능은 올라가지만, 동시에 전력도 늘어난다. 그래서 많은 절전력 기술을 이용해서 성능을 상하지 않고 절전을 실현했다. 예를 들면, 세밀한 전력 제어, Speed​​Shift Technology, 디지털 PLL 등이 그 예가 된다"고 말하며, 많은 절전력 기술이 Skylake가 성능을 희생하지 않고 절전력을 실현 가능한 큰 이유라고 했다.

 세밀한 전력 제어는 "하나의 큰 방에 하나의 큰 에어컨으로 차게하려면 매우 효율이 나쁘다. 그러나 각각으로 방을 나눠 에어컨으로 차게하면 효율이 좋다. 세밀한 제어는 그 상태에서 여기에 더해 사람이 있는 방만을 차게하는 방식. 트랜지스터 중 정말 필요한 부분만 움직이고, 그외에는 오프한다. 이에 따라 효율이 좋은 제어를 한다" 라는 것. 즉, 기존의 CPU 등은 아일랜드 마다 (예를 들면 CPU 코어 라든지 GPU 라든지, 메모리 컨트롤러 마다)에 온, 오프를 세밀하게 제어가 있었지만, 그것을 더욱 밀고나가 트랜지스터 단위로 꽤 세심하게 하고 있다 라는 것이다.

 또한 Speed​​ Shift Technology는 이전의 기사에서도 설명한대로, 제 4세대 Core 프로세서 (Haswell) / 5세대 Core 프로세서 (Broadwell) 세대에서는 C 스테이트 (ACPI에 규정되어 있는 CPU의 아이들 때의 상태인 것)라고 부르는 전력 절감에 초점이 맞춰져 있었지만, Skylake 세대에서는 P 스테이트 (ACPI에 규정되어있는 CPU가 액티브 때의 상태인 것)에서 절감이 실현 되었다. Speed​​ Shift Technology는 기존의 Speed​​Step Technology을 대신하는 기술로 기존에는 OS 측이 제어하던 P 스테이트의 절전력 관리 기능을 CPU에 내장된 PCU (Power Control Unit), 즉 하드웨어가 직접 관리 한다는 것이다. 이것에 의해 CPU의 부하에 응해 보다 세밀한 처리가 가능하게 되어서, 더 고도의 P 스테이트에서의 전력 관리가 가능하게 된다. 또 PLL은 디지털로 되어 있어, 소비전력이 적을뿐 아니라, 아날로그 PLL과 같은 주파수를 생성하는 것이 가능하다.

 이러한 연구에 의해, Skylake는 전 세대인 Broadwell을 웃도는 성능을 실현하면서, 동일한 TDP의 범위를 실현하고 있으며, 평균 소비 전력은 낮아졌다.

FIVR는 이 세대에는 성능과의 트레이드 오프로 채용하지 않고, 그렇지만 미래의 채용은 부정하지 않고

 한편 희생하지 않으면 안되는 것도 있었다. Skylake에는 Haswell / Broadwell에 탑재되어 있던 FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator)은 탑재되어 있지 않다. FIVR은 CPU 온다이에 탑재되어 있는 VR (전압 변환기)로, CPU의 각 부분 (CPU, GPU, 시스템 에이전트, 메모리 컨트롤러 등)의 공급 전압을 FIVR이 변환하여 공급한다. 이에 따라 메인 보드 측의 CPU로의 전압 변환기를 없애는 것이 가능하고, 더 세밀하게 CPU 각부분에 공급하는 전압을 세밀하게 조정할 수 있기 때문에, 시스템 전체의 소비 전력을 적게하는 것이 가능했다.

 이 FIVR이 Skylake에는 탑재되지 않은 이유는 "Skylake 디자인을 할 당시, FIVR가 절전력인 것은 알고 있었지만, 성능면에서는 임팩트가 있다고 판단했다. 따라서 우리는 VR을 밖으로 꺼내기로 결정했다. 미래에 FIVR과 성능을 양립 할 수 있는 때가 되면 검토하고 싶다고 생각하지만, 지금은 아니다"라고 말했다. 반대로 말하면, FIVR를 사용하지 않고도 절전력을 실현할 수 있는 자신감이 있었기 때문에 정해진 것이다.

 단, FIVR은 사라져, 마더보드 측에서 VR을 구현하는 것으로, 메인보드 측에서 다양한 연구가 가능한 것은, OEM 업체로는 실력을 보일 장소라는 것이다. 예를 들어, 오버 클러킹 등은 FIVR에 비하면 마더보드 측에서 컨트롤 할 수 있는 매개 변수가 늘어나기 때문에, 보다 기능을 늘리는 등, OEM 메이커 측의 연구가 가능하게 된다. 이 점은 차별화 포인트가 없어져 고생한 마더보드 메이커의 경우에는 희소식이다.

 또한 미래에 FIVR을 재차 채용하는 것을 부정하지 않았다. 즉, 미래의 CPU에는 다시 FIVR을 채용할 계획이 있기 때문이라고 생각된다. OEM 메이커 관계자의 정보에 의하면, Intel은 내년에 실제 Skylake Refresh가 되는 Kabylake, 내후년에 10nm 공정으로 미세화 된 Cannonlake, 한층 그 앞으로 10nm 세대의 새로운 아키텍처 판이 되는 Icelake 계획하고 있다. Intel은 이 Icelake 세대에서 다시 FIVR을 채용할 예정이라고 한다.

 이 Icelake는 미국 오레건주 힐스보로에서 개발되는 CPU다. Intel의 CPU 개발 팀은 복수 있어, 힐스보로와 이스라엘 하이파 팀이 번갈아 새로운 아키텍처 제품을 개발하고 있다. Sandy Bridge (2011년 제 2세대 Core 프로세서) / Ivy Bridge (2012년 제 3세대 Core 프로세서)는 하이파 팀이, FIVR를 사용한 Haswell (2013년 제 4세대 Core 프로세서) / Broadwell (2015 년 제 5세대 Core 프로세서)는 힐스보로 팀이 설계하고, 이번에 인터뷰를 한 와이즈가 이끄는 하이파 팀은 FIVR을 이용하지 않은 스카이레이크와 그 후속 제품 (Kabylake와 Cannonlake)을 개발하고 있다. 그것이 힐스보로 개발 제품으로 돌아가는 Icelake에서는 재차 FIVR로 된다는 것은 어떤 우연 일까 .......

Skylake 패키지, VR은 CPU에 내장되어 있지 않고 메인 보드에 있다

CPU 성능은 2.5 배, GPU 성능은 30배인 이유는 무엇인가

 최후로 개인적으로 궁긍했던 이야기를 들었기에 그것을 소개하고 요약하고 싶다. IFA 개막 전에 행한 Intel의 기자회견에서, Intel의 상급 부사장 겸 클라이언트 컴퓨팅 사업 본부 본부장인 커크 스코겐 씨는 "2010년의 제품에 비해 CPU 성능에서 2.5배, 그래픽 성능 에 이르러서는 30배의 큰 향상이 있다. 한편 소비전력이 절감된 것으로, 배터리 구동 시간은 3배가 되었다. 현재 5년 이상 전에 구입한 PC는 전세계에서 10억대 있으며, 그들을 교체하는 좋은 시기가 됐다 "고 교체 시기에 있는 것을 어필했다.

 이것을 보고 "어라" 라고 생각한 사람은 없을까? CPU는 2.5배 밖에 안되는데, GPU는 30배가 되고 있다고. 실은 그렇다, 지난 몇년 Intel의 CPU의 성능은 극적으로 늘어나지 않았다. 5년간으로 2.5배라면, 매년 동일한 비율로 성능이 향상되었다고 가정하면, 연평균 약 1.2 배가 된다. 그에 비해서 GPU는 30배이기 때문에, 연평균 약 2배가 된다.

 사실 그것이 의미하는 부분을 이해하려면 Intel이 IDF에서 공개한 Intel의 5년간의 그래픽의 진화에 대한 2장의 슬라이드를 보면 일목요연하다.

Intel은 IDF에서 공개한 내장 GPU의 진화 역사 (출처 : Technology Insight : Next Generation Intel Processor ​​Graphics ArchitectureCode Name Skylake, David Blythe Intel Fellow and Director of Graphics Architecture, Intel Corporation)

Broadwell까지의 다이 비교, 세대가 새롭게 될 때 마다 EU가 증가, GPU의 다이를 차지하는 비중은 커지고 있다 (출처 위와 마찬가지)

Intel이 2010년에 출시한 Core 프로세서 (실질적으로 제 1세대, Arrandale / Clarkdale)에서 Iron Lake라는 GPU를 온 패키지에 탑재했다. 이것이 43GFLOPS에서 Skylake의 내장 GPU (Gen9)는 1,152GFLOPS이므로 약 26배가 된다. 다만 Skylake의 이 숫자는 최상위 모델인 Iris가 아닌, Intel HD Graphics 530의 결과인 것으로, Iris으로 하면 약 30배라는 것이다. (이게 좀 내용이 이상한게, 스카이 레이크 HD 530은 6700K 기준으로 (내장 그래픽 1.15GHz) 441.6 GFLOPS 입니다. 위 그림처럼 GPU클럭을 1GHz로 기준으로 하면 384GFLOPS 이구요. 아이리스 프로 GT4인 EU 72개 짜리의 1GHz 클럭 기준으로는 표와 같이 1,152Gflops가 되구요. 현 인텔 GPU는 EU당 16 Flops x 24EU (HD530, GT2) x 1GHz = 384Gflops. 16 Flops x 72EU (GT4) x 1GHz = 1,152Gflops. 16 Flops x 48EU (GT3) x 1GHz = 768Gflops.

말이 되려면, 이 숫자는 최상위 모델인 아이리스의 결과로 아이리스로 하면 약 30배라는 것 이라고 하던가,  이 숫자는 HD 530이 아닌, 아이리스의 결과로 아이리스로 하면 약 30배 라는 것 이라고 하던가.. 두번째로 말을 하려다가 잘못 쓴지도... 생각이 많은 상태로 쓰다보면 종종 이럴 수 있으니까요. 앞뒤를 바꿔서 말하는 경우가 있죠.(그리고 이 기자의 경우는 다양한 정보와 기술적인 부분들은 통해서 분석하는 기사 보다는 취재 위주의 기사를 쓰는 기자이기도 합니다.)

실제 43Gflops에서 아이리스 GT4 (72EU)의 1,152Gflops는 약 26.8배 차이죠

GT2 384Gflos라면 약 8.9배가 되구요. 약 30배가 되려면.. 1GHz 기준이 아닌 실제 제품의 클럭을 기준으로 스카이레이크 i7-6785R 제품의 아이리스 프로 580이 1.15GHz 클럭에 EU 72개이니까 1,324.8Gflops로 약 30배가 됩니다.  아무튼 글을 쓸때 순간적으로 꼬여서 잘못 쓴 경우로 보입니다.

참고로 스카이레이크, 브로드웰은 GT2가 24EU이며, 하스웰은 GT2가 20EU 입니다.

기왕 추가 설명을 쓴김에 약간 더 쓰면, 번역기 글을 그대로 복사해서 올리거나, 문맥이 부드럽게 되도록 수정만 해서 올리는 글은 전혀 엉뚱하게 번역이 되어 있는 경우가 많습니다. 특히나 가장 중요한 단어가 엉뚱한 단어로 되어 있거나, 글자 하나 차이로 뜻이 전혀 달라지던가 말이죠. (모를 빼고도 좋다 라는 글이 있는데.. 번역기는 모를 빼면 좋다 라고 되어 있다거나... 과거 가격 정보를 올릴 때 보면, 공식 가격이 개정되어서(인하 된 것) 어떻게 됐다 라는 글이 원문이고 정확한 번역이라면, 번역기는 공식 가격이 올라서 라고 번역이 되어 있습니다.)  스스로 번역기로 글을 보고 그대로 이해하는 분들은 (또는 번역기 글 올려놓은 글 보시는 분들) 이런 부분들을 조심해서 보세요. 가끔 여기저기서 우연히 보다 보면, 번역기 글로 이해하고 그렇다 라고 하는 분들이 종종 보입니다. 하루에 수없이 장문의 기사를 올리는 것들을 특히 조심하세요. 절대 스스로 번역하면 그렇게 올릴 수가 없습니다.

또 자신이 지식이 없으면, 잘못된 글을 보고도 수정 할 능력이 없게 되구요. 기자가 잘못 쓴거를 그대로 잘 번역했을 뿐인 것은 어쩔 수 없다고 해도, 번역기의 오 번역은 문제겠죠. 모 저도 번역이 100% 완벽하다고는 할 수 없지만, 적어도 번역기 글을 그대로 쓰지 않습니다. )

두 번째 슬라이드에서 알 수 있듯이, GPU의 비율은 세대가 진행됨에 따라 커지는 편이다. 예를 들면, Sandy Bridge에서는 12EU였던 연산기는, 최신 Skylake에서는 표준 클래스인 GT2에서도 24EU로 배가 되었다. 또 Haswell 세대에서는 GT3가 도입되어, 쿼드 코어 + GT3 (40EU)의 조합은 GPU가 다이의 절반 가까이를 차지하게 되었고, Broadwell 세대 쿼드코어 + GT3 (48EU), Skylake 세대에서는 한층 GT4 (72EU)가 생겨서, 그 비율은 오르고 있다. 그것에 비해 CPU는 계속 듀얼코어 혹은 쿼드코어인 채다.

솔직한 의문으로 이것을 와이즈씨에게 던져 보았다. 와이즈씨는 "Intel에게는 Sandy Bridge는 최초의 GPU 통합 CPU였다 (클락데일 때는 MCM 통합. 샌디브릿지는 1다이 완전 통합). GPU 성능에 관해서는 아직 충분하지 않았다. 좀더 좀더 GPU 성능을 이라는 목소리가 많이 있어, 세대마다 GPU의 성능을 강화해 왔다. 그것에 비해 CPU 코어 측은 경쟁상의 관점에서도 충분히 성능이 실현되고 있어, 진화로(코어수가 아닌 아키텍처로 성능 증가. 클럭도 포함일듯) 좋다고 판단했다"고 말했다. (GPU의 Flops 올리는 것과 CPU의 IPC 올리는 것은 차원이 다릅니다. CPU에서도 AVX 시리즈 등을 통해서 Flops를 올리는 것은 간단히 샌디/아이비에서 하스웰로 갈때 2배로 올랐습니다. 코어당 성능이 떨어지는 Xeon Phi의 1코어에는 AVX 512 유닛이 2개, 현 데스크탑은 AVX 256 유닛이 2개로, 동 클럭에서의 Flops는 코어가 작은 제온 파이가 피크 2배 성능 입니다. SIMD (AVX등) 명령으로 데이터 처리 능력이 2배가 되었다고 해서, IPC가 2배라고 하지 않죠.)

 간단하게 말하면, CPU에 관해서는 유일한 경합의 다른 업체인 AMD의 그것과 비교하여 충분한 리드가 있어, 특별히 강화 할 필요가 없다고 판단했지만, GPU에 관해서는 AMD의 내장 GPU뿐만 아닌, AMD, NVIDIA의 단독(외장) GPU를 포함해서 성능을 상회할 필요가 있다고 Intel의 아키텍트들은 생각한 결과라는 것이다. 때문에 CPU는 2.5배 밖에 향상되지 않았지만, GPU는 30배의 성능 향상을 달성한 상황이 되었다.

 하이엔드 사용자로서는 좀 더 CPU의 성능도 오르도록 CPU 코어를 늘려준다던지 해주면 기쁘게 된다고 생각하지만, 절전력의 시대에 그것도 하는 수 없을지도 알 수 없다. 어쨌든 다음 하이파 디자인의 새로운 마이크로 아키텍처 (7nm 세대의 새로운 마이크로 아키텍처가 될 가능성이 높다)가 그렇게 되면 좋겠다고 생각하는 것을 이 기사 마무리로 하고 싶다. (AMD에 비해서 코어에 투자되는 회로가 훨씬 많아 그래서 성능이 높죠. 여기서 코어수가 늘면, 클럭을 낮춰야만 데스크탑 수준의 TDP로 맞추는게 가능. 그런데 그렇게 되면, 서버용이나,웍스테이션용 이면 모를까, 데스크탑용에서는 성능이 저하 됨 (AMD 불도저 처럼 저성능(작은 코어)코어를 여러개 넣어도 마찬가지). 한 몇년 뒤에, 혹 거의 모든 데스크탑 소프트의 병렬화가 아주 잘 되면 그때나 모를까..)

2015년 9월 7일 기사

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