이 글은 AnandTech의 원문을 번역한 것입니다.
들어가며
우리는 얼마 전 인텔이 지난 십수년간 지켜오고 있던 '틱-톡' 주기를 깨고 새로운 제품 출시 주기인 'P-A-O'(Process, Architecture, Optimization) 패러다임을 채택했음을 전한 바 있다(링크).
과연 새로 끼워넣어진 '최적화'(Optimization) 단계가 업그레이드 욕구를 불러일으킬 만한 큰 변화를 가져올지는 당시부터 지금 이 순간까지 큰 의문사항으로 남아 있었다. 이번에 발표된 '카비 레이크'는 인텔의 14nm 공정에서 출시되는 세 번째 세대의 제품이다. 많은 사용자들이 카비 레이크가 단지 데빌스 캐년의 재판인지 그렇지 않으면 새로운 세대의 제품으로써 손색 없는 정도인지에 의문을 가지는 것은 당연한 일이다.
다행히 이번에 출시될(데스크탑의 경우 내년 1월에) 카비 레이크는 후자에 좀 더 가까운 듯 하다. 그런데, Kaby Lake를 어떻게 읽어야 맞는 걸까? '카비 레이크'인가 '케이비 레이크'인가?
1. ‘틱-톡’에서 '프로세스 설계 최적화(PAO)'로
인텔의 '틱-톡' 전략은 인텔이 제조공정의 전환(틱)과 마이크로아키텍처의 전환(톡)에서 나오는 위험을 분산시키면서도 매 년 사용자들의 업그레이드 욕구를 불러일으킬 수 있을만큼의 성능 향상을 가능케 해 왔다. 보통 틱, 톡의 각 단계는 12개월에서 15개월 정도 시간이 소요되었는데, 제조 공정이 미세화될수록 제조 공정 안정화에 점점 더 긴 시간이 걸리기 시작했다.
이런 현상은 최신 공정에서 두드려졌는데, 14nm 공정이 인텔의 거대한 라인업 전체에 보급되기까지는 상당히 오랜 시간이 걸렸다. 브로드웰의 출시가 지연되면서 인텔은 적절한 타이밍에 14nm 공정 제품들을 투입하는 데 실패했다. 덕분에 2016년 현재 인텔의 라인업은 이리저리 꼬여있는 상태다.
14nm 공정으로의 전환에서도 이런 문제들이 발생했는데 10nm 공정으로의 이행은 오죽할까. 당연히 더 큰 난관들이 있을 것이다. 최초의 14nm 기반 프로세서(브로드웰 모바일 프로세서)는 2014년 3분기에 출시되었다. 거의 2년이 지났고, 10nm 공정은 로드맵에서 2017년 초반이 아니라 더 뒤로 밀려났다.
스카이레이크가 2015년 중반에 출시되었음을 감안했을 때, 만약 인텔이 계속 '틱-톡' 전략을 고수한다면 거의 2년여 동안 새로운 프로세서의 출시가 없게 되는 셈이다. 이는 단지 인텔만의 문제가 아니라 인텔의 CPU로 제품을 만드는 많은 파트너사들에게도 달갑지 않은 일이다. 이런 긴 공백을 메우기 위해 인텔은 Process-Architecture-Optimization 전략을 채택한 것이다.
이것은 우리가 원래 10nm 공정 기반의 프로세서를 볼 것이라 기대했던 때에 세 번째 14nm 기반의 프로세서를 봐야한다는 것을 의미한다. 인텔 14nm 프로세서의 계보는 브로드웰에서부터 스카이레이크 그리고 이번에 발표된 카비레이크로 이어진다. 인텔은 카비레이크가 최적화된 공정인 14PLUS(또는 14nm+, 14FF+)에서 생산된다고 발표했다.
14PLUS 공정의 특징이라면 더 높아진 핀의 높이와 더 넓어진 피치로 요약될 수 있다. 피치가 넓어진다는 것은 트랜지스터의 밀도가 낮아진다는 것을 의미한다. 일반적으로 피치가 넓어지면 구동 전압이 더 필요하지만 인텔은 이를 더 높아진 핀으로 상쇄시켰다. 이와 동시에 트랜지스터의 밀도가 낮아졌기에 열 밀도를 낮출 수 있게 되었고, 덕분에 수백 MHz에 달하는 클럭 향상을 얻을 수 있게 되었다. 이론적으로는 이런 열밀도를 낮추는 디자인은 오버클럭에도 유리하다. 물론 실제로 제대로 오버클럭이 가능한 제품은 내년 1월에서야 만나볼 수 있으니 정말 오버클럭이 잘 되는지는 그 때 두고볼 일이다.
2. 오늘의 발표(미 현지시간 8월 30일)
이번 발표에서는 카비레이크의 일부만이 공개되었다. 오늘 발표된 것은 하이엔드 태블릿 시장과 2-in-1 시장에 투입될 카비레이크-Y 시리즈(TDP 4.5W) CPU 3개와, 노트북에 투입될 카비레이크-U 시리즈(TDP 15W) CPU 3개이다.
카비레이크 Y나 U 시리즈 모두 미니 PC에 투입되기도 적합한 제품들이기에 Zotac이나 ECS의 카비레이크 기반 미니 PC를 기대해봐도 좋을 것이다. 지금부터 코어 M 시리즈 3개를 포함한 여섯 개의 CPU에 대한 좀 더 자세한 정보를 알려드리겠다.
인텔이 미리 나눠준 브리핑 자료에 새로운 프로세서의 변경점들에 대한 상세 내용들이 들어있었다. 특히 흥미로운 부분은 미디어 블럭의 업그레이드이다. EU의 갯수나 그래픽 유닛의 마이크로아키텍처로 대표되는 그래픽 성능 자체에는 변한 게 없지만 인코딩, 디코딩을 담당하는 고정 기능 회로들이 미디어 블럭에 추가된 점이 흥미롭다.
이는 4K 컨텐츠를 생산하거나 소비할 때 같은 작업을 훨씬 더 적은 전력을 소모해서 수행할 수 있음을 의미한다. (역자 주 : 특정 기능을 수행하는 회로를 만드는 데는 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 범용 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어를 만들고 소프트웨어를 통해 특정 기능을 수행하는 것이다. 두 번째는 특정 기능만을 수행하는 하드웨어 회로를 만드는 방법이다. 두 번째 방법의 경우 첫 번째 방법과는 달리 수행하는 기능이 정해져 있기에 범용 하드웨어를 만들기 위한 복잡한 부분들이 추가될 필요가 없기에 그 효율이 범용 하드웨어에 비교할 수 없을 만큼 높다.)
또, 카비레이크는 업데이트된 스피드 시프트 패키지를 포함하고 있다. 스피드 시프트 기능은 스카이레이크부터 포함되어 있었는데, CPU의 성능을 필요할 때 끌어올리는 방식으로 불필요한 전력 소모를 줄인다. 카비레이크에 탑재된 업데이트된 스피드 시프트는 OS와 CPU 사이에서 클럭을 조절하는 메커니즘을 최적화했다. 우리는 이 글에서 '스피트 시프트 버전 2'라는 별명으로 카비레이크의 업데이트된 스피드 시프트라는 표현을 대체하려고 한다.
인텔은 새로 공개된 14nm+ 공정 자체의 세부적인 스펙을 공개하지는 않았지만, 새로 출시된 CPU들이 어느 정도의 성능 향상을 보이는지를 수치로 제시했다. 마이크로아키텍처의 관점에서 보면 카비레이크는 스카이레이크와 근본적으로 같지만(DMI 3.0이 이제 PCIe 3.0 x4 NVMe를 제어할 수 있는 등의 세부 변경사항을 제외한다면), 아까도 언급했던 더 높아진 핀과 넓어진 피치로 인해 열밀도가 떨어졌고 이 덕분에 같은 전력 소모 수준에서 더 높은 클럭을 달성할 수 있게 되었고, 덕분에 12% 정도의 성능 향상을 가져올 수 있었다.
즉, 카비레이크의 가장 큰 장점은 14nm+ 공정의 적용으로 인해 올라간 클럭 스피드와 새로 추가된 미디어 기능들이 될 것이다.
발표 내내 인텔은 5년 전의 15W 프로세서인 샌디브릿지 ULV와 카비레이크의 차이점을 강조했다. 인텔은 자사의 새로운 제품들이 새로운 사용자 경험을 통해 꾸준히 시장을 순환시켜야 이익을 얻을 수 있기에, 소비자들이 이런 비교를 통해 카비레이크를 통해 얻을 수 있는 새로운 경험을 강조하는 것이다.
인텔은 4분기 내에 카비레이크를 사용한 100개 이상의 제품을 포함해 120개 이상의 썬더볼트 3 사용 기기, 100개 이상의 Windows Hello 적용 기기(리얼센스 카메라 혹은 지문인식 센서를 통한), 50개 이상의 4K 기기, 25개 이상의 펜이 포함된 기기가 시장에 출시될 것을 기대하고 있다. 카비레이크는 스카이레이크와 소켓 호환성을 갖춰 사용자들이 좀 더 쉽게 업그레이드 할 수 있도록 했다.
새로운 마케팅 : 새로운 CPU들과 코어M 브랜딩의 변화
카비레이크 라인업에서 가장 먼저 눈에 띄는 것은 카비레이크-Y 시리즈의 네이밍이다. 여전히 m3라는 이름은 남아있지만 더 이상 m5와 m7은 없다. m3는 i5와 i7과 함께 쓰여진다(기존에 코어M m3, m5, m7이던 라인업이 m3, i5, i7로 정리됨). 물론 인텔이 m5와 m7이라는 이름을 더 이상 쓰지않겠다고 나서서 말한 것은 아니지만 새로운 카비레이크-Y기반의 CPU가 나온다고 m5나 m7 네이밍을 사용할 것 같지는 않다.
인텔이 이렇게 네이밍을 정리한 데는 크게 두 가지 정도의 이유가 있다. 첫 번째 이유는 인텔이 우리에게 직접 이야기 한 것으로, 프로세서의 성능이 OEM 제조사의 요청에 따라서 달라질 수 있기 때문이다. 4.5W 폼팩터에 들어가는 i5는 카비레이크-U에 들어가는 i5와 근본적으로 다르지 않다. OEM 제조사는 그 CPU가 수행하게 될 역할(4.5W 폼팩터에서 작동할 것인지, 15W 폼팩터에서 작동할 것인지)에 따라 다른 이름(코어 M 혹은 카비레이크-U)을 부여할 수 있다. 또 이렇게 i5로 이름을 통일함으로써 소비자는 브랜드를 좀 더 친숙하게 여기게 될 것이다.
두 번째 이유는 아마도 코어 M 브랜드가 인텔의 기대만큼 제대로 날아오르지 못했기 때문일 것이다. 'm'이라는 접두사는 이 제품이 저전력이라는 이미지만을 전달해 준 것이 아니라 저성능, 극단적인 모바일이라는 이미지마저 전달해버렸다. 인텔은 이런 달갑잖은 이미지를 탈피하고자 m3를 제외한 시리즈에 소비자들이 친숙한 i5, i7이라는 이름을 붙인 것이다.
이런 인텔의 의도가 잘 드러나는 부분은 4.5W 폼팩터의 i7 프로세서의 부스트 클럭이 3.6GHz까지 올라간다는 것이다. 특히 흥미로운 건, 이 수치가 이번에 같이 발표된 15W 폼팩터의 i7 프로세서의 부스트 클럭보다도 높은 수치라는 점이다. 아, 물론 OEM 제조사가 어떻게 제품을 구성하느냐에 따라 약간의 차이는 있겠지만 4.5W 폼팩터에서 3.6GHz라는 클럭은 오랫동안 유지되지는 못할 것이다.
마지막으로, 인텔은 코어 브랜드를 고객들에게 보여주는 방법 역시 바꾸었다. 케이스에 붙이는 스티커와 제조사들이 마케팅에 사용하는 로고 디자인에 변경이 있었는데, 기존에는 이 제품이 몇 세대인지에 대한 정보 없이 간단하게 'Core i7'으로 표기되었다면 이제는 이 제품이 몇 세대 제품인지까지 보여준다. 예를 들어 카비레이크 Core i7 모델의 경우 'Core i7, 7th Gen.'이라고 적는 식이다. 아래 그림은 스카이레이크의 로고 디자인과 카비레이크의 로고 디자인 차이를 명확하게 보여준다. 캐논레이크(8세대) 칩은 아마 저 자리에 8th Gen이 들어가는 식으로 나올 것이다.
* Skylake vs. Kaby Lake Branding
1. 스타팅 라인업 : 2+2
2014년의 브로드웰 출시 때와 같이, 인텔은 이번 카비레이크 출시에서도 저전력 모델들부터 출시하는 전략을 채택했다. 이는 인텔이 작은 다이 크기를 가진 Y, U 시리즈 프로세서들부터 판매에 들어간다는 의미이다 (역자 주 : 다이 크기가 작을 수록 수율이 올라가기 때문이다. 인텔의 14nm+ 공정이 아직 더 큰 칩을 뽑을 만큼 수율이 높은 수준은 아니라는 의미이다).
상위 라인업 제품들은 조금 더 기다리시길. 어쨌든 이번에 발표된 6개의 제품들은 모두 같은 2+2 다이 기반이며, 발표와 동시에 출시되었다(3개의 4.5W 제품과 3개의 15W 제품). 아, 여기서 2+2의 의미는 2개의 CPU 코어에 GT2 내장 그래픽이 결합된 형태를 뜻한다.
인텔은 이번 발표에서 카비레이크의 2+2 다이 크기를 정확히 밝히지 않았다. 이는 14nm+ 공정에 대한 세부 정보를 발표하지 않은것과도 일맥상통하는 것이며, 인텔이 나중의 발표를 위해 이 정보들을 아껴두고 있다는 느낌을 받았다. 어쨌든, 카비레이크의 2+2 다이 레이아웃은 스카이레이크의 그것과 크게 달라보이지 않는다. 카비레이크에서 있었던 두 개의 큰 변화인 개선된 14nm 공정과 미디어 프로세서 기능이 향상된 GPU의 변화는 겉으로(다이 레이아웃 상에서) 뚜렷히 드러나지는 않는 변화이다.
2. 새로운 프로세서들
새로운 프로세서들을 소개한다. 먼저 4.5W 폼팩터에 들어갈 카비레이크-Y 시리즈들부터 살펴보자, 스카이레이크 m7 모델은 비교를 위해 찬조출연했다.
낮은 TDP를 가진 기존의 모델들과 같이, 이번 4.5W 제품들 모두 듀얼코어와 GT2 다이를 가지고 있다. 거기에 매우 낮게 설정된 베이스 클럭은 4.5W의 낮은 TDP를 가능케 했다. 인텔의 전력 관리 시스템은 터보 클럭을 어떻게 유지할지를 선택하는 몇 가지 상태를 가지고 있는데, 평균 전력 소모, 피부에 닿는 부분의 온도를 감안한 쓰로틀링 등이 바로 그것이다.
Y 시리즈 프로세서들을 사용하는 대부분의 기기들은 피부에 닿는 부분의 온도에 맞춰서 터보 클럭을 유지한다. 카비레이크 역시 스카이레크와 마찬가지로 OEM 제조사들에게 많은 센서들을 장착할 것을 요구한다. 이런 센서들이 얻은 정보는 내부 알고리즘에 의해 CPU의 작동 속도에 영향을 준다. 카비레이크는 자이로 센서를 넣을 것 역시 요구하는데 이는 기기가 손에 들려있는지, 아니면 어딘가에 거치되어있는지를 감지하고 적절한 클럭 스피드를 선택하여 작동한다 (역자 주 : 손에 들려 있을때는 피부에 닿는 온도가 너무 높게 올라가지 않도록 하기 위해 강한 스로틀링이 걸리겠지만, 그렇지 않은 경우 클럭을 좀 더 높일 수 있을 것이다).'
Y 시리즈 CPU는 저전력 시장에도 높은 성능을 제공하기 위해 만들어졌다. 이는 최근 인텔의 마이크로아키텍처가 저전력에 염두를 두고 설계된데다 쉽게 확장, 축소할 수 있도록 설계된 덕분에 가능해진 일이다 (역자 주 : 기존 저전력시장의 아톰 등 프로세서는 메인 프로세서들과 다른 마이크로아키텍처를 적용했고, 성능이 상대적으로 떨어졌음).
거기에 인텔이 경쟁사들에게 가지고 있는 제조공정의 우위 역시 이를 가능케한 요인 중 하나이다. 결과적으로 카비레이크-Y는 기존의 Y 시리즈처럼 큰 가격 프리미엄을 갖고 출시되었다. 최하위의 코어 m3 모델조차도 281달러부터 시작하며 이들을 탑재한 투인원 등은 600-700달러대의 가격이었다. 미니PC 쪽은 사정이 조금 낫긴 하지만 여전히 아톰에 비해서는 가격 프리미엄이 좀 있는 편이다. 첨언하자면 스카이레이크 i5, i7에 포함된 TSX 명령어는 코어M에는 빠져 있다.
라인업의 허리를 맡고 있는 i5-7Y54 프로세서는 m3 프로세서와 같은 가격에 출하되는데, 그럼에도 불구하고 더 높은 클럭으로 인한 더 높은 성능과 함께 명령어 지원 역시 더 뛰어나다. 그렇다면 도대체 누가 m3 프로세서를 살까 여기시겠지만, 인텔은 TDP 모드를 설정하는 데 제한을 둠으로써 이 둘을 구분지었다. i5를 선택할 경우 TDP를 더 높게 설정할 수 있는 옵션을 제공한다(configurable TDP; cTDP). 반대로 m3 프로세서는 더 낮은 cTDP를 설정할 수 있다.
라인업에서 가장 높은 성능을 담당하고 있는 Core i7-7Y75는 지금까지 공개된 카비레이크 중에서 가장 높은 터보 부스트 클럭을 갖고있는데, 그 수치는 무려 3.6GHz이다. 이 수치가 특히 인상적인 것은 이 CPU의 TDP가 4.5W이기 때문이다. 옵션에 따라 달라지겠지만 i7-7Y75의 기본 가격은 393달러이다. 최고 성능의 제품답게 상당히 큰 가격 프리미엄이 붙었다는 것을 알 수 있다.
스카이레이크 기반의 최상위 투인원 제품들에 CPU 뿐만 아니라 메모리, 키보드, 펜 등 모든 옵션이 포함된 경우 심지어 그 가격이 2000달러가 넘기도 했다. 최소한 카비레이크 세대에까지도 이런 가격정책은 유지될 것임이 명백하다. 디자인과 스타일 차별화로 애플과 싸우고 싶어하는 oem들을 등에 업은 채로 말이다. 만약 애플이 올해 안에 맥북 라인업을 업데이트할 계획이라면 이들이 카비레이크-Y 모델을 쓸 것이라 봐도 좋을 것이다.
사실 이번에 발표된 프로세서의 그래픽 부분에 대해서는 명확한 설명이 없었다. 우리는 바로 직전 세대의 그래픽 실행 유닛 등으로부터 9세대 GT2의 구성을 추정할 수밖에 없다. 한 가지 확실한 것은 14nm+ 공정에 힘입어 그래픽 작동 클럭이 소폭 올라갔다는 것 정도다. 아, 그리고 이번 세대 Y 시리즈 프로세서 역시 DDR4 메모리는 지원하지 않는다.
다음에 살펴볼 것은 카비레이크-U 시리즈 삼총사이다. 이 친구들은 15W 폼팩터용으로 만들어졌다.
한 눈에 봐도 이 삼총사들은 Y 시리즈 삼형제들과 상당히 닮아있다. 하이퍼스레딩이 적용된 2코어 4스레드 구조부터 비슷한 터보부스트 클럭과 판박이인 가격정책까지. 단지 차이점은 TDP의 차이로 기본 클럭이 훨씬 높아졌다는 것 정도이다. 물론 윈도우 10 환경에서 구동되는 스피드 시프트 기술이 적용되면 CPU를 사용하지 않을 때의 클럭은 훨씬 낮게 내려가겠지만 말이다. 요점은, 시스템이 활발히 사용중에 있을 때 클럭이 기본 클럭 아래로 떨어지지 않는다는 점이다. 이 점에서 U 시리즈 삼총사들은 2.4-2.7GHz의 베이스 클럭을 가져 Y 시리즈의 그것인 1.0-1.3GHz보다 훨씬 높은 성능을 보장한다.
여기서 코어 i3의 경우 터보 부스트가 없다. 이건 모든 코어와 스레드가 아이들 상태이든, 풀 로드 상태이든 항상 고정된 클럭으로 동작한다는 것을 의미한다. 코어 i5와 i7은 똑같이 듀얼코어에 하이퍼스레딩이 있지만 터보 부스트가 존재한다. 그래서 이들의 실제 작동 클럭은 기본 클럭과 터보 부스트 클럭 사이의 어딘가에 있다.
위에서도 언급한 바와 같이 15W 프로세서들은 4.5W 프로세서들과 완전히 같은 가격정책을 취하고 있다. U 시리즈와 Y 시리즈의 거의 유일한 차이는 적용될 제품의 열 방출 능력이다. U 시리즈는 흔히 '울트라북'이라고 불리는 노트북이나 NUC/BRIX와 같은 미니 피씨 라인업에 들어가게 된다. U 시리즈는 DDR3L과 LPDDR3를 지원하는 것은 물론이고 1.2V로 구동되는 DDR4-2133 역시 지원한다. 이는 U 시리즈 프로세서 기반 제품으로 게임을 즐기는 사람에게 꽤 중요한 점이다.
i3-7100U 프로세서에서 한 가지 짚고 넘어갈 점이 있는데, 이 프로세서는 다른 제품들과 좀 다른 통합칩셋을 탑재하고 있다. 일종의 컷다운 버전이라 봐도 좋겠다(물론 CPU, 그래픽 등 CPU 자체의 다이는 같은 것을 사용한다). 코어 i3는 레이드 기능이 없고, 두 개의 USB 3.0 포트가 줄어들었으며, PCIe 3.0을 지원하지 않고, 지원하는 SATA 포트의 수 역시 더 적다.
여기서 흥미로운 것은 m3 칩의 경우 이런 컷다운된 칩셋의 특징을 갖고있지 않다는 것이다. m3 칩은 여전히 레이드를 지원하고, PCIe 3.0 x4 레인을 통한 저장장치를 지원한다. 그리고 위에서 이미 살펴봤듯 i3-7100U는 i5-7300U와 같은 가격을 가지고 있다. 만약 제조사들이 이런 컷다운된 프로세서를 사용하기 위해서는 그들의 플랫폼 디자인을 바꾸어야 한다. 지원하는 USB 포트나 SATA의 갯수 등이 애초에 다르기 때문이다. 기본 디자인을 i5-7300U나 i7-7500U에 맞춰서 한다면 이런 고민을 할 필요도 없을 것이다. 이런 여러 가지 이유로 우리는 실제 울트라북 시장에서 코어 i3 제품들이 얼마 출시되지 않을 것이다 본다.
3. OPI 2.0에서 OPI 3.0으로
우리는 스카이레이크-Y 기반의 NUC를 테스트하는 중에 흥미로운 것을 발견했다. 거기엔 분명히 PCIe 3.0 x4를 통해 M.2 저장장치를 연결할 수 있는 포트가 있었다. 하지만 실제로 그 포트는 PCIe 2.0 x4로 동작했고, 이는 저장장치가 사용할 수 있는 최대 대역폭을 깎아먹었다. 우리는 왜 이런 일이 일어나는지를 알아보기 위해 인텔과 우리가 갖고 있는 데이터시트를 뒤져봤고, 우리가 데스크탑에서 흔히 DMI라고 부르는 CPU와 칩셋 간의 연결 통로의 속도가 PCIe 2.0의 속도로 제한되어 있음을 알아냈다. 아, OPI는 SoC에서 이 연결 통로를 부르는 다른 이름이다.
분명히 시스템은 PCIe 3.0 x4 스피드를 지원할 수 있는데 이런 일이 일어나는 것은 최초 출시 시점에서 안정성을 위해 PCIe 2.0을 선택했기 때문이다. 이런 선택은 NUC의 마케팅에 혼선을 빚었는데, 특히 PCIe 3.0 x4를 지원하는 스토리지를 탑재한 제품이 그랬다. 인텔과 함께 작업하여 그들은 새로운 바이오스를 통해 NUC의 OPI를 PCIe 3.0 x4 속도로 돌려놓았고, 우리는 드디어 스토리지를 위해 최대 대역폭을 확보할 수 있었다. 그러나 이런 BIOS 업데이트는 한 제조사에서 나온 미니PC에 국한된 것으로 다른 제조사들도 OPI를 PCIe 3.0으로 작동시키기 위해서는 이런 조치를 취해야 한다.
이번에는 상황이 좀 나아졌다. 컷다운된 코어 i3-7100U를 제외한 나머지 카비레이크 칩들의 OPI는 기본적으로 PCIe 3.0 x4 속도로 동작한다. 이는 칩셋이 여러 컨트롤러나 저장장치에 PCIe 3.0 레인을 통해 접근할 수 있다는 것을 의미한다. Y 시리즈는 10개의 PCIe 3.0 레인을 가지고 있으며, U 시리즈의 경우 12개의 레인을 가지고 있다. 우리는 Core i5, i7 기반의 기기들이 두 개의 PCIe 3.0 x4레인에서 작동하는 M.2 저장장치를 RAID로 작동시키는 모습을 볼 지도 모른다. 인텔은 역시 5개의 프로세서들에(i3-7100U만 빼고) OPI 3.0에 NVMe 지원을 포함시켰다.
카비레이크-U/Y 시리즈의 GPU : 향상된 미디어 처리 능력
여러 기능적인 관점에서 보면 카비레이크는 스카이레이크와 엄청난 차이를 보이지는 않는다. 하지만 관점을 GPU 쪽으로 옮긴다면 카비레이크는 사용자들에게 좀 더 가시적인 향상을 가져다준다. CPU 코어와 마찬가지로 GPU 역시 14nm+ 공정에 힘입어 좀 더 높은 작동클럭을 가지고, 이는 당연히 더 높은 GPU 성능을 담보하는 것이다.
하지만 이것은 카비레이크 시리즈의 GPU 변화 중 작은 부분일 뿐이다. 카비레이크에서 정말 흥미로운 것은 미디어 처리 능력의 향상이라고 할 수 있다. 카비레이크는 GPU 아키텍처의 측면에서는 스카이레이크에서 변한 것이 없다. 하지만 인텔은 비디오 처리 블록을 카비레이크에 추가함으로써 비디오 처리 성능을 훨씬 높였다.
우리(Anandtech)는 지난 2015년 IDF 행사를 다루면서 스카이레이크의 GPU의 미디어 처리 능력을 상세하게 분석한 바 있다(링크). 우리는 이번 카비레이크 U, Y 시리즈 역시 같은 방식으로 분석할 것이다. 본론으로 돌아와서, 카비레이크 U, Y 시리즈의 미디어 엔진은 4K HEVC Main10 프로필의 영상을 완전히 하드웨어 가속으로 인코딩, 디코딩 할 수 있다.
스카이레이크 역시 HEVC Main10 4K을 최대 30프레임으로 디코드할 수 있었지만 이는 하이브리드 방식으로 이뤄졌었다. 당시에는 이를 디코딩 하기 위해 CPU와 미디어 프로세서의 일부 루틴, GPU의 셰이더 코어가 모두 연산에 동원되었다. 반명 카비레이크에서는 HEVC 프로필을 담당하는 고정 기능 회로가 추가되었기 때문에 훨씬 더 적은 전력소모만으로 더 높은 성능을 낼 수 있게 되었다.
여기에 더해 카비레이크는 역시 구글의 VP9 코덱에 대한 8비트 인코딩과 8/10비트 디코딩을 지원하는 고정 하드웨어 회로 역시 포함하고 있다. 스카이레이크는 여기서도 역시 하이브리드 디코딩을 지원했지만 당연히 코덱 자체를 하드웨어로 구현하는 쪽이 더 전력 효율적임은 자명하다. 구글은 유튜브 유저들에게 VP9 코덱을 사용하기를 강력히 권장하고 있는데, 이런 상황에서 카비레이크를 이용하면 훨씬 더 효율적으로 이를 디코딩 할 수 있을 것이다. 인코딩 쪽에서는 이전 세대들에서 HEVC만 지원했던 것과 달리 VP9에 대한 지원이 완전히 새로 추가되었다.
아래 그림은 카비레이크의 GPU 엔진의 개략적인 구성을 보여주는 슬라이드이다.
HEVC Main10과 VP9을 가속하는 하드웨어 회로가 MFX 블록에 추가된 것을 확인할 수 있다. 덕분에 이제 MFX 블록은 8비트, 10비트 HEVC와 VP9 디코드 그리고 10비트 HEVC와 8비프 VP9 인코드를 지원한다. QuickSync 블록 역시 몇 가지 업그레이드를 통해 AVC 인코드 성능을 더 높일 수 있었다.
Video Quality Engine(이하 VQE) 역시 개선이 있었는데, 이는 HDR과 더 넓은 색역(Rec.2020) 지원에 대한 것이다. 스카이레이크의 VQE는 RAW 이미지를 16개의 파이프라인을 통해 필터링했었다. 인텔은 정확히 어떤 방식을 통해 Rec.2020을 지원했는지를 알려주지 않았는데, 우리는 VQE에 더 높은 대역폭을 처리할 수 있는 컴포넌트들이 추가된 것으로 추정하고 있다. HDR의 경우 인텔이 VQE의 유닛을 사용함과 동시에 GPU의 EU 역시 사용한다고 밝혔다. 상황에 따라 달라지겠지만 하드웨어 가속이 들어가는 부분에 대해서는 더 전력 효율적으로 작업이 이루어지리라는 점은 자명하다.
인텔은 카비레이크를 설계할 때 최대 여덟 개의 30프레임 4K 영상을 동시에 AVC와 HEVC 코덱으로 디코드 할 수 있도록 했다. 또, 카비레이크는 60프레임의 4K HEVC 영상을 최대 120Mbps의 비트레이트로 디코딩할 수 있다. 이런 고정 하드웨어의 추가는 4.5W TDP의 Y 시리즈 카비레이크 프로세서들도 실시간으로 HEVC 4K 30프레임 인코딩을 가능케 했다.
그 뒤에 인텔은 카비레이크의 "프리미엄 컨텐츠 플레이백" 성능 역시 향상되었다고 밝혔다. 인텔이 정확히 이 부분에 대해서 부연하지는 않았지만, 4K 넷플릭스 콘텐츠를 지원한다는 의미인 것으로 보인다. 우리 추측에 의하면 카비레이크에는 넷플릭스 4K 콘텐츠 DRM에 관여하는 무언가가 추가되지 않았을까 싶다. 이 추측이 맞다면 카비레이크가 탑재된 PC는 넷플릭스 4K를 보여줄 수 있을 것이다. 다만 이것이 추가적인 하드웨어 회로로 추정되는 만큼 스카이레이크 기반 컴퓨터들은 여전히 이를 지원하지 않을 가능성이 높다.
이제 미디어 처리 능력에 대한 이야기는 충분히 한 듯 하니 GPU 코어 자체에 대해 알아보자. 몇 번 언급했듯, 카비레이크의 디스플레이 파이프라인 자체는 스카이레이크의 그것과 동일하다. 카비레이크의 내장 GPU는 스카이레이크처럼 최대 세 개의 디스플레이를 지원한다.
한 가지 실망스러운 것은 스카이레이크와 마찬가지로 이번에도 역시 HDMI 2.0과 HDCP 2.2의 네이티브 지원이 빠져있다는 것이다. 물론 인텔은 DP 1.2 라인에 LSPCon(Level Shifter - Protocol Conveter)를 포함함으로써 이를 지원하고 있다고 변호할 것이다. 이를 이용해 몇몇 메인보드들이 HDMI 2.0 포트를 지원하기는 한다. 그나마 다행인 것은, 카비레이크가 이런 방식을 제조사들에게 좀 더 저렴하게 선택할 수 있도록 한다는 점이다.
정리하자면, 카비레이크는 스카이레이크 미디어 엔진의 치명적인 약점을 보완했으며(4K 60프레임의 HEVC Main10 디코딩), 거기에 그치지 않고 더 만족스러운 멀티미디어 경험을 위해 잘 보이지 않는 추가적인 개선점들을 포함하고 있다. 이런 노력들은 인텔 혼자만의 쇼가 아니라 소프트웨어와 콘텐츠 제작, 배포 생태계와 맞물려 이뤄졌다는 점이 중요하다.
개선된 14nm 공정, 스피드 시프트 v2, 성능 향상
1. 개선된 14nm 공정 : 14nm+
이번 카비레이크 발표에서 가장 궁금했던 것 중 하나는 카비레이크 성능 향상의 주역이라고도 할 수 있는 개선된 14nm+ 공정에 대한 것이다. 우리는 인텔이 캐시 용량이나 레이턴시, 대역폭에 대해 아무런 언급도 하지 않았다는 점을 주목할 필요가 있다. 거기에 카비레이크의 마이크로아키텍처는 스카이레이크의 그것과 동일하다. 즉, 개선된 공정으로 인해 조정된 클럭스피드, 그리고 스피드 시프트 v2 등과 같은 개선된 전력 관리 기술들과 위에서 열심히 언급했던 미디어 블록의 향상이 합쳐져서 카비레이크를 스카이레이크와 차별화시킨다.
인텔은 자세한 설명을 덧붙이지는 않았지만 카비레이크가 스카이레이크와 같은 IPC를 갖고 있다고 설명했다. 그러나 동시에 인텔은 카비레이크의 전력 효율이 올라갔음을 강조한다(같은 전력 소모에 더 높은 클럭 또는 같은 클럭에 더 낮은 전력소모). 그리고 추가된 미디어 기능들은 CPU가 좀 더 쉴 수 있도록 해줌으로써 역시 전력소모를 줄이는 데 일조한다.
다만 후자는 배터리를 사용하는 모바일 환경에서는 매우 중요하지만 데스크탑 환경에서는 그 중요도가 떨어진다. 즉, 내년 1월에 출시될 카비레이크의 데스크탑 버전이 스카이레이크에 비해 갖는 가장 큰 장점은 200-400MHz 정도 올라간 기본 클럭이 될 것이다.
14nm+ 공정에 대해서 더 많은 이야기를 하고 싶지만 당장 우리가 가진 정보는 두 가지밖에 없다. '길어진 핀'과 '더 넓어진 게이트 피치'가 바로 그것인다.
* Intel 14nm Circa Broadwell
인텔이 14nm 기반의 브로드웰을 출시할 때, 우리는 인텔의 가장 최신 반도체 제조 공정에 대한 몇 가지 정보를 얻을 수 있었다. 인텔은 잘 나가는 프로세서 회사이기 이전에 가장 뛰어난 반도체 제조업체이기도 하다. 인텔의 성숙하고 강력한 제조공정은 인텔이 TSMC나 삼성, 글로벌 파운드리 같은 다른 제조업체들에 비해 상대적인 성능 우위를 가져갈 수 있도록 해줬다. 14nm 공정이 모습을 드러냈을 때, 인텔은 공정이 여전히 개발 중에 있다고 알려줬다. 트랜지스터와 게이트의 배치에 관한 사항들이었다.
이런 것들에 대한 좀 더 자세한 정보가 나올 것이라 예상했던 우리 기대와는 달리 인텔은 추가적인 정보를 주지 않았다. 그래서 지금 당장은 원론적인 수준에서 이야기를 풀어나갈 수밖에 없다. 우리가 상식적으로 알고 있는 한도 내에서 더 높아진 핀은 누설 전류를 낮춰 더 낮은 구동 전류로 구동될 수 있다. 반면 넓어진 게이트 피치의 경우 일반적으로 트랜지스터 밀도를 낮추고, 더 높은 구동 전압을 필요로 하지만 생산하기 더 쉽다는 장점이 있다. 사실 넓은 피치가 좀 더 나은 열발산 환경을 만들어 클럭 향상에 도움을 줄 수 있다는 것은 추측 정도일 뿐이다.
이 추측에 의하면 인텔은 더 넓은 전압범위와 높은 클럭을 위해 다이 크기를 어느 정도 희생시켰다는 말이 된다. 물론 현 시점에서 우리가 정확히 어느 정도로 게이트 피치가 넓어졌는지, 트랜지스터 밀도는 어느정도인지에 대한 정보가 없기 때문에 이는 여전히 의문에 싸여 있다. 어느 메탈 층에 이런 변화가 가해졌는지 역시 궁금한 점이다. 우리는 이번에 인텔이 다이 크기, 트랜지스터 갯수 등에 대한 정보를 제공하지 않았다는 것이 주목할 필요가 있다. 내년 1월의 발표에서는 조금 더 많은 정보가 공개되길 바란다.
마지막으로 아직 14nm+ 공정의 세부 사항은 베일에 싸여 있다. 이는 생산 측면에서도 마찬가지이다. 인텔은 14nm 공정에서 14nm+ 공정으로 이행할 때 어느 정도의 설비 교체가 필요한지에 대해서 역시 어떤 정보도 주지 않고 있다. 확실한 것은 이것이 새로운 공정이고 그렇기에 어느 정도의 설비교체는 필요할 것이라는 것이다. 그렇다면 또 새로 생기는 궁금증은 어떤 인텔의 팹이 현재 새로운 공정으로 프로세서를 생산하고 있느냐는 것이다. 오레곤 주에 있는 D1팹 중 하나는 거의 확실한 것으로 보이고, 아리조나 또는 아일랜드에 있는 팹들도 그 후보군에 있다.
필자는 브로드웰과 카비레이크의 출시를 평행선상에 놓고 비교해 봤다.
이 둘 사이에는 공통점이 있는데, 바로 저전력 프로세서로부터 고성능 프로세서에 이르는 출시 일정이 잡혔다는 것이다. 브로드웰의 경우 처음 생산이 시작할 때 14nm 공정으로의 전환에 병목현상이 생긴 상태였다. 14nm로 이행하기 위해서는 팹의 꽤 많은 설비를 교체해야 했기 때문이다. 필자가 지금 궁금한 것은 카비레이크 역시 이와 비슷한 이유로 인해 이런 형태의 출시 일정을 잡았느냐 하는 점이다.
인텔이 이런 거대한 설비교체를 준비하는 중이라 당장 14nm+로 생산할 수 있는 팹이 오리곤의 D1 팹이 유일하다면, 인텔이 생산해낼 수 있는 양은 제한될 것이고, 같은 양의 웨이퍼에서 더 많은 칩을 얻을 수 있는 2+2 프로세서들을 먼저 출시하는 것은 합리적이다.
2. 스피드 시프트 v2
스카이레이크의 새로운 기능 중 하나는 스피드 시프트였다. 이 기능을 위해서는 운영체제 드라이버가 필요한데, 이 기능이 실행되면 시스템이 CPU 터보 부스트 등에 관련된 결정사항을 CPU에 넘겨주게 된다. CPU는 자체 센서와 함께 여러 시스템 센서들로부터 얻은 정보들을 통해서 클럭 스피드를 운영체제가 할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르게 변화시킬 수 있다.
스피드 시프트의 목적은 시스템이 요청에 좀 더 빠르게 반응하도록 하는 것이며, 이는 지연시간을 줄임으로써 사용자가 느끼는 성능과 직결된다(터치 반응에 대한 문제나 웹 서핑 등). OS의 경우 미리 정의되어 있는 P-state 옵션 중 하나를 선택할 수밖에 없지만, 스피드 시프트의 경우 프로세서가 이를 자체적으로 조절함으로써 더 세밀한 배수조절 등이 가능하다.
스피드 시프트의 첫 번째 버전은 CPU가 최대 클럭에 도달하는 데 100ms 정도 걸리던 것을 30ms 부근으로 줄이는 데 성공했다. 다만 스피드 시프트를 사용하기 위해서는 운영체제 드라이버의 지원이 필요한데, 현 시점에서 이는 Windows 10의 일부이다. 우리(Anandtech)는 출시 당시 스피드 시프트의 효과를 직접 검증해 본 바 있다(링크).
카비레이크에서 스피드 시프트는 더 정교해졌다. 물론 인텔이 스피드 시프트에 기술적으로 새로운 이름을 붙여주지는 않았지만, 필자는 이를 'v2'라 부르고 싶다. 필자가 보기에 이번에 있었던 개선은 v1과 v2로 구분하기에 충분할 정도로 크기 때문이다. OS 드라이버 단에서의 변화는 없었다. 똑같은 스피드 시프트 드라이버가 v1과 v2 모두에 사용되고 있으며, 이는 이것이 소프트웨어적인 개선이 아님을 의미한다. 하지만 성능은 충분히 차이가 난다. 기존의 스피드 시프트가 최대 클럭에 도달하는 데 30ms 정도가 소요되었다면 이제는 10-15ms면 충분하다.
녹색과 노란색으로 표시된 그래프는 v1과 v2의 차이를 나타낸다. 코어 i7-7500U는 동작 최대 클럭인 3.5GHz에 매우 빠르게 도달함을 확인할 수 있다. 이것은 여러 작업들에서 지연시간을 줄이는 데 큰 기여를 할 것이다. 스피드 시프트 기능은 사용자 경험을 위해 만들어진 기능이고, 필자는 스피드 시프트 기술이 발전하는 것이 기쁘다. 우리(Anandtech)는 가능하다면 이에 대한 테스트 역시 수행할 것이다.
3. 성능
인텔은 지난 몇 주간 자사의 새로운 프로세서의 성능이 얼마나 향상되었는지를 보여줬다. 물론 아래에서 보여줄 자료들은 인텔이 선택한 벤치마크 기반의 자료라는 점을 감안하고 보자. 먼저 인텔은 웹 성능에서 최대 19%에 달하는 성능향상이 있었다고 주장했다.
생산성 성능은 미디어, 프로세싱, 데이터 워크로드로 구성된 SYSMark에서 측정되었는데 최대 12%의 성능 향상을 보여주었다.
생산성 성능이 좀 더 순수한 클럭 향상으로 인한 성능향상치를 반영하고 있다고 볼 수 있다. WebXPRT 테스트에서 더 큰 폭의 성능 향상을 보인 것은 향상된 스피트 시프트 v2의 덕을 봤기 때문이다(이 테스트는 스피트 시프트 v1 적용시에도 큰 성능 향상을 보여줬다).
하지만 고정 기능을 하는 하드웨어 회로가 추가됨으로써 발생한 4K 미디어 처리 성능 향상이 이보다 더 중요한 변화일 지도 모른다. 범용 하드웨어에서 수행하던 인코딩, 디코딩을 고정 기능을 하는 하드웨어로 옮긴 작업은 CPU를 쉬게 만들어줄 뿐만 아니라 큰 폭의 전력소모 감소를 보여준다. 콘텐츠 소모에 적합하게 만들어진 모바일 기기에서 이런 변화는 배터리 수명의 향상과 직결된다.
인텔은 4K 비디오를 10-bit HEVC와 8-bit VP9을 감상할 때의 전력 소모를 내부적으로 측정한 자료를 공개했다.
주목해야 할 점은 10비트 HEVC 4K 영상을 보는 내내 CPU 점유율이 5% 부근에 있다는 점과, 시스템 전체 소비전력이 거의 20배 가까이 차이가 난다는 점이다. 66Wh를 소모하는 4K 디스플레이를 가진 기기 기준으로 이런 차이는 2.6배에 달하는 배터리 수명 향상을 이끌어낼 수 있다.
VP9로 작동되는 유튜브 콘텐츠들은 날이 갈 수록 증가하고 있다. 스카이레이크-U에서 VP9 영상을 감상할 때 CPU는 75-80%의 점유율을 보이는 반면 카비레이크에서는 20%보다도 낮은 점유율을 보여주고 있다. 위에서 언급한 것과 같은 조건이라면 배터리 성능은 1.75배 더 증가한다. 한 가지 더 짚어보자면 스마트폰으로 인한 4K 촬영 장비의 보급은 콘텐츠 제작에 대한 수요 역시 크게 끌어올렸으며 이런 상황에서도 카비레이크는 힘을 발휘할 것이다. 다만 유의할 점은 이런 개선점들은 내장 그래픽이 작동할 때만 유효하다.
4. 성능 다섯 줄 요약!
정리하자면, 카비레이크의 성능 향상은 아래 다섯줄로 요약될 수 있다.
· 스카이레이크와 같은 IPC를 가지지만 향상된 제조공정에 힘입어 12-16%정도 더 높은 클럭스피드를 달성
· 스피드 시프트 v2는 각종 작업들의 지연시간을 줄여줄 것이며, 사용자 경험 향상에 기여할 것
· 새로운 고정 기능을 수행하는 회로들은 미디어 소비시에 배터리 소모를 줄여줌
· OPI 3.0은 PCIe 3.0 x4 NVMe 저장장치와 썬더볼트 3, 그리고 여러 추가적인 컨트롤러들을 지원
· 세 개의 4K 디스플레이를 지원함 : DP 1.2, HDMI 1.4, eDP 1.2
데스크탑은 내년 1월에 출시 : 왜?
많은 PC 매니아들, PC 제조사들과 게이머들은 왜 데스크탑용 프로세서의 출시가 나중에 이뤄지는지에 대한 의문을 가지고 있을 것이다. 인텔은 예상대로 오늘 발표에서 데스크탑 카비레이크의 출시는 내년 1월에 있을 것임을 확인해 줬다. 여기에는 엔터프라이즈용 프로세서와 아이리스 그래픽이 들어가는 프로세서 역시 포함되어 있다.
여전히 14nm 선폭의 공정에 머물러 있지만 14nm+ 공정 역시 커다란 다이를 가진 데스크탑용 제품들을 뽑아내기 전에 작은 다이의 제품들을 먼저 뽑아내면서 수율을 안정화시키고 있다고 볼 수 있을 것이다. 이는 14nm 공정에서 14nm+ 공정으로의 이행이 실제로 얼마나 어려운가에 따라 달린 문제다.
다른 문제를 보자면 현재 스카이레이크 기반의 데스크탑 제품이 출시된지 대략 1년 정도의 시간이 흘렀다. 하지만 여전히 10nm 공정의 프로세서가 언제 출시될지는 베일에 싸여있다. 시장의 모바일 우선이나 작은 칩이 더 생산하기 쉽다는 것 역시 이런 연기의 이유 중 하나겠지만, 인텔이 가장 큰 이익을 볼 수 있고, 주주들이나 소비자들에게 좀 더 안정된 업데이트 사이클을 가져가겠다는 의도 역시 있을 것이다.
카비레이크의 IPC가 스카이레이크의 그것과 같기 때문에 데스크탑 환경에서의 성능 향상은 실제로 약간 올라간 클럭과 정확히 비례한다. 조금의 클럭 향상은 흔히 말하는 '국민오버'로 달성될 수 있는 것이기 때문에 단지 성능 향상의 요인이 이것뿐이라면 카비레이크의 매력은 크지 않을 것이다. 하지만 높아진 핀과 넓어진 게이트 피치가 우리가 생각하는 것과 같은 효과를 내 준다면 이는 더 높은 오버클럭 잠재력을 의미한다. 인텔은 여전히 오버클럭을 상위 두 개 제품에만 허용하고 있는데, 만약 카비레이크의 오버클럭 잠재력이 스카이레이크에 비해 훨씬 높다면 그 자체로 카비레이크는 헤비 유저들에게 매력적인 제품이 될 것이다.
반대로 카비레이크의 오버클럭 잠재력마저 스카이레이크와 비교해 별 차이가 없으면 헤비 유저들은 카비레이크에 별 관심이 없을 것이다. 인텔이 이런 전략을 고수하는 것은 대부분의 제품 판매가 1년 단위의 업그레이드가 아닌 3-5년 단위의 업그레이드에서 온다고 판단하고 있기 때문이다.
또 다른 이유는 메인보드 측면의 것이다. 데스크탑용 카비레이크 출시는 200 시리즈로 명명될 새로운 칩셋과 동시에 출시될 것인데 아직 200 시리즈 칩셋에 대한 정보가 명확하지 않다. 내년 1월 출시일정은 메인보드 제조사들에게 200 시리즈 칩셋 기반의 제품들을 디자인하고 출시하기에 충분한 여유기간이 될 것이다.
인텔은 단지 1월이라고만 출시시기를 밝혔고, 정확히 어느 날짜에 제품이 출시될지는 불분명하다. 하지만 1월에는 라스베가스에서 열리는 CES 행사가 있으니 인텔의 새로운 CPU들이 대충 그 즈음에 출시될 것이라 예상해볼 수 있겠다.
마지막으로, AMD가 Zen 기반의 CPU 들을 내년 1분기에 출시할 것이라는 점 역시 주목할 만 하다. 벌써부터 내년 1월이 기대되지 않는가?
그래서, 내 생각에는 '케이비 레이크'라고 발음하는 게 맞는 것 같다.
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역자 : Jin Hyeop Lee (홈페이지)
생명과학과 컴퓨터 공학을 복수전공하고 있는 대학생입니다.
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참조
• Intel Announces 7th Gen Kaby Lake: 14nm PLUS, Six Notebook SKUs, Desktop coming in January
• 인텔, 카비레이크 프로세서를 발표하다 : 14nm PLUS, 여섯 개의 노트북용 CPU, 데스크탑용은 내년 1월에
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