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흔히 인텔의 프로세서 개발 전략은 ‘틱-톡’ 으로 요약하며, 이는 마이크로아키텍처의 전환과 공정의 전환을 번갈아 가면서 행하는 형태로, 매년 새로운 세대의 프로세서를 선보이는 것이었다. 그리고 새로운 아키텍처가 등장할 때 가장 큰 화두는 ‘성능 향상’으로, 인텔은 지금까지 내부 구조를 효율화하거나 동작 속도를 대폭 끌어올리는 등의 다양한 방법으로 이런 요구들을 충족시켜 왔다.
그리고 최근 몇 년간, 인텔이 선보인 마이크로아키텍처의 전환으로 인한 성능 향상은 대단히 놀라운 수준이었다. 예전 ‘코어 2 듀오’의 코어 마이크로아키텍처가 선보인 성능은 시장에 상당한 충격을 던졌던 바 있으며, 이후 1세대 코어 프로세서의 네할렘 마이크로아키텍처와 2세대 코어 프로세서의 샌디 브릿지 마이크로아키텍처에 이르기까지 꾸준한 성능과 효율 향상을 이어 왔다.
4세대 인텔 코어 프로세서는 인텔이 새롭게 선보이는, ‘하스웰(Haswell)’ 마이크로아키텍처를 이용한 프로세서로, 이전 세대 대비 새로운 명령어 셋의 도입과 프로세서 실행 유닛 구조의 확장 등이 적용되어 성능과 효율을 더욱 끌어올렸다. 특히 4세대 코어 프로세서에서 새롭게 적용되는 에너지 효율을 위한 각종 기술들과 성능이 대폭 향상된 그래픽 코어는 변화하는 PC 환경에서 전반적인 플랫폼의 경쟁력을 극대화한다.
■ ‘톡’ 이상의 혁신을 추구하는 다양한 신기술
▲ 또 한번의 ‘혁신’을 추구하는 4세대 코어 프로세서
4세대 코어 프로세서는 네할렘, 샌디 브릿지를 잇는, 코어 프로세서 제품군 이후 세 번째로 등장하는 마이크로아키텍처로, 이미 3세대 코어 프로세서 ‘아이비 브릿지(Ivy Bridge)’에서 성공적으로 도입된 바 있는 22nm 트라이게이트 공정을 활용한다. 또한 전반적인 구성 형태는 기존의 샌디 브릿지 기반 마이크로아키텍처와 유사하지만, 각각의 구성 요소들에서 다양한 형태의 개선이 이루어졌다.
데스크톱 PC 시장을 타겟으로 하는 4세대 코어 프로세서는 최대 4코어 8쓰레드 구성과 내부 링버스로 연결되는 최대 8MB의 LLC, DDR3-1600 듀얼 채널 메모리 컨트롤러, 18레인의 PCI 익스프레스 3.0 컨트롤러와 프로세서 내장 그래픽 코어를 제공한다. 또한 이전 세대와 마찬가지로 오버클록킹의 경우 k 시리즈 프로세서와 Z87 등 Z 시리즈 칩셋을 이용하는 경우에만 가능한 점 등, 이전 세대 대비 플랫폼의 큰 틀은 그대로 유지되고 있다.
4세대 코어 프로세서에 이르기까지 인텔이 해 온 혁신의 방향성은 성능 향상과 전력 소비량 절감, 즉 ‘효율성 극대화’로 연결된다. 그리고 모바일 환경에서 고성능 서버에 이르기까지 다양한 영역에 단일 마이크로아키텍처로 대응하기 위해, 인텔은 코어당 성능의 극대화, 전력 소비의 최적화, 그리고 프로세서의 각 구성 요소들을 모듈화해 다양한 형태의 패키징에 대응할 수 있도록 하는 것을 목표로 했다.
▲ 실행 유닛의 확장은 최근 몇 세대동안 없던 일이었다.
마이크로아키텍처 측면에서 가장 큰 변화는 새로운 명령어 셋인 AVX2의 등장과, 실행 유닛의 증설이 있다. AVX2는 256비트 벡터 폭을 다루는 데 있어 FMA 지원 등을 통해 부동소수점 연산 성능을 크게 끌어올렸으며, 실행 유닛 포트도 6개에서 8개로 늘어나고, 개선된 분기예측 기술이 적용되는 등의 변화가 있었으며, 이를 통해 에너지 효율적인 성능 향상을 가능하게 했다.
4세대 코어 프로세서의 마이크로아키텍처에서 눈에 띄는 점 중 하나는 실행 유닛의 추가다. 기존의 6개 포트에서 8개 포트로 증설되면서, 증설된 포트에는 정수 ALU와 주소 저장 AGU, 새로운 브렌치 유닛이 추가되었으며, 기존 유닛들에서는 포트 0, 1의 FP 유닛에 FMA가 추가되었다. 그리고 이렇게 실행 유닛이 확장되면서, 기존 포트, 유닛들에 가해지던 부담을 줄이면서 지연 시간을 줄이고, 성능 향상과 에너지 효율을 기대할 수 있게 되었다.
새롭게 추가된 네 번째 ALU를 통해서는, 전반적인 정수 연산의 성능 향상, 벡터 유닛의 가용성 향상 등을 기대할 수 있으며, 6번 포트에 추가된 새로운 브렌치 유닛은 0번 포트의 부담을 분담할 수 있도록 구성되었다. 또한7번 포트에는 주소 저장에 특화된 유닛만을 배치해, 포트 2, 3이 주소 불러오기에 집중할 수 있도록 했다. 그리고 두 개의 FMA는 기존 AVX를 다루는 유닛에 그대로 올라가, 활용시 약 두 배의 성능 향상을 기대할 수 있다.
4세대 코어 프로세서에서 새롭게 추가된 AVX2는 256비트 폭에서 FMA(Fused Multiply-Add)를 지원해 해당 연산에 소비되는 클럭 수를 줄인 것이 큰 특징이다. 샌디 브릿지 대비 피크 성능은 두 배 향상되었으며, HPC나 오디오, 비디오, 게이밍 등에서 이를 활용해 성능 향상을 기대할 수 있다. 이 외에도 인덱싱, 해싱, 암호화 등을 위한 새로운 정수연산 명령어가 추가되어, 이전 세대 대비 암호화 성능이 대폭 향상되었다.
▲ 멀티쓰레드 환경에서 유용할 인텔 TSX 기술
캐시 성능도 샌디 브릿지 대비 큰 폭의 향상이 있다. L1의 로드, 스토어 대역폭은 기존 샌디 브릿지 대비 두 배 향상된 사이클당 로드 64Bytes, 스토어 32Bytes, L1-L2 대역폭도 두 배 향상된 사이클당 64Bytes다. 이 외에도 L2 유니파이드 TLB도 공간과 대역폭 모두 대폭 확장되었다. 링버스로 연결되는 LLC도 제공되는 대역폭의 증가와 시스템 에이전트에서의 로드 밸런싱 개선, 메모리 쓰기 대역폭 개선 등의 최적화가 이루어졌다.
이제 멀티쓰레드는 전반적인 컴퓨팅 환경에서 필수적인 요소가 되어 가고 있고, 최신 하드웨어들의 병렬형 성능 확장을 제대로 활용하기 위해서는 반드시 고려해야 할 요소다. 그리고 이 부분에서 개발자들의 트랜잭션 동기화의 수고를 덜어 줄 기술로는 인텔의 TSX 기술이 있는데, 이는 하드웨어 레벨에서 트랜잭션의 시작과 종료, 락 생략 등을 지원하는 것이다. 이 기술은 인텔 컴파일러 v13.0이나 GCC 4.8, 마이크로소프트 비주얼 스튜디오 2012 등에서 이용할 수 있다.
가상화 지원에서도 성능 개선이 있다. 4세대 코어 프로세서에서는 이전 세대 대비 VT-x 라운드트립 딜레이를 줄여, 500사이클 미만으로 가져갈 수 있게 했다. 또한 EPT에서의 새로운 액세스, 더티 비트 추가나, TLB 무효화의 오버홀, vmexit없이 하이퍼콜 가능하게 하는 새로운 명령어셋 등이 추가되었으며, 전반적으로 게스트-호스트 트랜지션 타임이 개선되었다.
▲ 더 강력해진 전원 관리 기술는 크게 세 가지.
에너지 효율 측면에서 최근의 화두는 ‘효율’이다. 4세대 코어 프로세서는 이 부분에서 공정 변화 없이 더 개선된 성능과 효율을 달성하기 위해 다양한 전력 관리 기술들을 더 공격적으로 적용한 모습을 확인할 수 있다. 쿼드 코어 구성의 4세대 코어 프로세서 TDP는 3세대 코어 프로세서 대비 조금 늘어난 84W 정도지만, 플랫폼 전반이 사용하는 전력 소비 자체는 비슷하거나 조금 더 줄어드는 모습이다.
4세대 코어 프로세서의 클럭과 전압 변동 폭은 이전 세대보다 더 넓어졌으며, 유휴 상태일 때의 동작 속도와 전압도 더 낮아졌다. 이전 3세대 코어 프로세서의 유휴 상태 동작 속도와 전압은 1.2GHz, 0.8V 수준이었던 데 비해, 4세대 코어 프로세서는 유휴 상태에서 동작 속도를 800MHz까지, 전압은 0.7V까지 끌어내렸다. 또한 워크로드에 따른 클럭, 전압 변화도 더 신속하고 정밀해졌다.
또한 프로세서의 각 구성 요소들마다 별도의 전력 관리가 이루어져, 사용하지 않는 유닛의 경우 즉각적으로 전원 공급이 중단되는 등 워크로드에 따른 적극적인 전원 관리가 이루어진다. 전반적으로 사용하는 부분에서만 전력이 소비되도록 하기 위해 C-state 레벨은 더욱 세분화되었으며, 각 레벨간의 변환 시간도 더 신속해졌다. 이는 모바일 환경에서 최대한의 편의성과 이동성을 양립할 수 있도록 하며, 데스크톱 PC나 서버에서도 에너지 효율을 극대화한다.
터보 부스트 기술은 이전 세대와 마찬가지로 2.0 기술이 들어가며, 프로세서의 열, 전원 마진 등을 정밀 모니터링해 시스템에 무리가 가지 않는 수준에서 최대한의 성능을 끌어낼 수 있도록 한다. 코어 i7-4770k는 정규 정의된 클럭은 3.5GHz지만, 터보 부스트 기능이 활용되는 경우 싱글, 듀얼 코어 활용에서 최대 3.9GHz, 4코어 모두를 활용하는 경우 최대 3.7GHz로 동작한다. 물론 이는 프로세서 그래픽 등과도 연동되어, 리소스 배분은 동적으로 변화한다.
▲ 이제 전압 레귤레이터도 프로세서 안에 내장되었다.
4세대 코어 프로세서는 이전 세대와 달리, 메인보드에 있던 VR을 프로세서 안으로 가져갔다. 이를 통해, 이전에는 5개 정도의 전압 레일이 프로세서에 인가되던 데 비해, 이제는 프로세서 쪽에 단일 레일 형태로 전압이 인가되고, 내부에서 전압이 다시 나누어지는 구성이다. 여기에 시스템 에이전트에서 정밀한 모니터링과 빠른 변동이 가능하게 해, 더 효율적이고 정밀한 전압 컨트롤이 가능하게 했다.
오버클록킹 측면에서 k시리즈 프로세서의 최대 설정 배수 제약도 더욱 완화되어, 3세대 코어 프로세서가 최대 63배수였던 데 비해 4세대 코어 프로세서는 최대 80배수까지 설정이 가능하다. 링버스 배수도 80배까지 가능하며, DDR 메모리 속도는 최대 2930MHz까지 끌어올릴 수 있다. PEG와 DMI 배수 설정도 지원됨에 따라, 익스트림 오버클록킹에서 좀 더 높은 한계를 직접 찾아 나갈 수 있게 되었다.
BCLK 배수 조절은 샌디브릿지-E와 달리 PCH 쪽에 위치하며, CPU PCIe와 DMI의 비율 설정으로 BCLK 100MHz, 125MHz, 166MHz에서 PCIe 등의 외부 버스 클럭을 정규 클럭으로 만들 수 있다. 이 때 각 부분의 클럭은 코어, 링버스가 BCLK의 배수로, 그래픽 코어는 BCLK/2 의 배수로, 메모리는 BCLK의 1배수 혹은 1.33배수에 메모리 배수가 추가되어 설정된다.
■ 기능과 성능이 대폭 보강된 그래픽 코어
데스크톱이나 노트북 PC를 위한 인텔의 코어 프로세서 제품군은 현재 ‘샌디브릿지-E’ 기반의 코어 i7-3800, 3900 시리즈를 제외하면 모두 내장 그래픽 코어를 탑재하고 있다. 최근 몇 년간 인텔의 내장 그래픽 코어는 지금까지 새로운 코어가 나올 때마다 큰 폭의 성능 향상과 함께 기능 강화가 이루어져 왔으며, 이미 대부분의 PC 활용에서 내장 그래픽 코어로도 충분한 정도까지 그 수준이 올라와 있다.
4세대 코어 프로세서에 들어가는 그래픽 코어는 이전 세대와 비교할 때 다양한 변화가 있다. 구조적인 측면에서는 다양한 플랫폼에서의 수요를 만족시키기 위해, 스케일 업이 용이한 모듈 구조를 선보이고 있으며, 미디어 지원 측면에서는 비디오 코덱에서 MJPEG의 하드웨어 디코더, MPEG2의 하드웨어 인코더 등이 추가되었다. 또한 퀵싱크 기술의 성능 향상과 디스플레이 출력 부분의 해상도 향상 등도 눈에 띄는 개선점이다.
4세대 코어 프로세서의 그래픽 코어는 DirectX 11.1, OpenGL 4.0, OpenCL 1.2 등의 최신 규격을 지원하고 있다. 프로세서에 탑재되는 그래픽 코어는 크게 세 종류로 나뉘며, 각각 HD 그래픽스, HD 그래픽스 4200/4400/4600, 그리고 새롭게 선보인 브랜드인 아이리스(Iris) 그래픽스 5100/5200 으로 프로세서에 탑재될 예정이다.
▲ 스케일 업이 용이한 모듈 구조가 특징이다.
4세대 코어 프로세서의 그래픽 코어는 크게 세 가지 코어가 준비되어 있다. 이 중 GT1은 가장 엔트리급 프로세서에 들어가며, 기존 엔트리급의 HD 그래픽스 브랜드를 그대로 이용한다. 대부분의 데스크톱 프로세서에 탑재될 GT2는 HD 그래픽스 4200, 4400, 4600 등으로 나뉘며, 발표와 함께 선보일 코어 i5, i7 제품군에는 최대 1.2GHz~1.25GHz 정도로 움직이는 HD그래픽스 4600이 탑재된다.
GT3는 모바일 프로세서에 집중적으로 들어가며, U 시리즈의 15W TDP 패키징 제품에는 HD 그래픽스 5000, 28W 패키징에는 아이리스 그래픽스 5100이 들어간다. 그리고 모바일 쿼드 코어 고성능 제품군 중 MQ 라인업에는 HD 그래픽스 4600이 올라가지만 TDP 47W의 HQ 라인업에는 GT3에 eDRAM을 하나의 패키지로 묶은 아이리스 프로 그래픽스 5200이 올라간다. 데스크톱에도 이를 쓴 i7-4770R이 있지만, 소켓 형식이 아닌 BGA 패키징 전용이다.
4세대 코어 프로세서의 그래픽 코어는 주요 실행부가 정확하게 반으로 쪼개지도록 구성된 재미있는 모습을 가지고 있다. 이를 통해 실행 유닛 수 뿐만 아니라 샘플러 등의 유닛까지 차별화된 그래픽 코어를 제공할 수 있으며, 이런 구조를 활용해 기존의 EU 수 차이 이상의 성능 차이를 만들어 내는 모습을 보여 준다. 또한 여기에 eDRAM 조합 패키지를 통해 내장 그래픽 코어가 가지고 있던 약점 중 하나인 메모리 대역폭 문제를 완화했다.
기능과 성능 측면에서, 프론트엔드 구성에는 리소스 스트리머를 통해 오버헤드를 최소화하고, 고정 기능을 처리하는 유닛들의 성능도 대폭 향상시켰다. 또한 텍스쳐 샘플러에서도 기존 그래픽 코어 대비 최대 4배 가량 더 많은 처리량을 제공하도록 했다. 덕분에 게이밍 성능 측면에서, 4세대 코어 프로세서에 탑재된 HD 4600은 전 세대의 HD 4000 대비 더 높은 성능을 제공하며, 모바일 환경에서는 기존 대비 두 배 이상의 성능 향상을 기대할 수 있다.
▲ 미디어 부분의 기능, 성능 향상도 돋보인다.
미디어 부분에서도 다양한 개선이 있었다. 멀티포맷 코덱은 전력 효율이 더 높아졌으며 SVC 규격이나 MJPEG 디코드, MPEG2 인코딩 기능 등이 추가되고, 퀵싱크 기능의 성능도 높아졌다. 또한 EU, 미디어 샘플러의 최적화로 품질 개선과 함께, 코덱과 디스플레이 모두 4k 급 해상도를 하드웨어 기반으로 처리할 수 있는 역량을 갖추었다.
MJPEG나 MPEG2의 하드웨어 처리 기능은 비디오 컨퍼런스나 DLNA, DVD 제작 등에서 유용하게 활용될 수 있다. 또한 AVC 이외에 SVC를 지원함으로써 다양한 디바이스 환경이 공존하는 비디오 컨퍼런스나 스트리밍 미디어 서버 등에서 최적화된 성능을 기대할 수 있다. 이 외에도 비디오 인코드 작업에 있어, 인텔은 하드웨어와 GPU의 하이브리드 모델을 통해 성능과 전력 소비, 유연성의 절충안을 제시하고 있다.
비디오 프로세싱 과정의 후처리를 위해 추가된 비디오 퀄리티 엔진은 기존의 후처리 기술들이 별개의 유닛으로 분리된 형태다. 그리고 후처리 기술 중 새롭게 추가된 기술로는 색영역 확장(Gamut Expansion), 피부 톤 튠을 위한 이미지 확장 필터, 그리고 촬영시 손떨림 등이 있는 영상을 보정해줄 수 있는 이미지 스테빌라이제이션(Image Stabilization) 기능 등이 있다.
▲ HDMI의 출력 해상도가 대폭 높아졌다.
4세대 코어 프로세서의 그래픽 코어는 이전 세대와 비교해서 비디오 출력 방법이 다소 바뀌었다. 이전 세대까지는 모든 디스플레이 신호가 PCH를 거쳐 가야 했으며, 싱글 링크 DVI 수준 이상의 해상도 출력을 위해서는 반드시 디스플레이포트를 활용해야 했었다. 하지만 4세대 코어 프로세서는 아날로그 출력만 PCH를 거치게 하고, 디지털 출력은 프로세서에서 바로 나갈 수 있도록 구성되어 있다.
해상도 지원 또한 대폭 완화되었다. 3세대 코어 프로세서가 HDMI에서는 1920*1200 60hz 정도가 한계였다면, 이제는 HDMI 포트로도 1.4a 규격에 준해 2560*1600 60hz 출력과 3840*2160 30hz, 4096*2304 24hz 출력이 가능하다. 디스플레이포트의 경우 예전에는 2880*1800 60hz 출력이었던 데 반해 이제 3840*2160 60hz 출력까지도 무난히 지원된다. 디스플레이포트의 멀티 스트리밍 기술을 통해 하나의 출력 단자에서 1080p 3대, 2560*1600 두 대의 출력을 낼 수도 있다.
또한 3개의 모니터 출력을 지원하며, 클론, 확장 모드와 함께 ‘콜라주(Collage)’ 모드가 새롭게 추가되었다. 이 모드는 하나의 프레임 버퍼를 세 개의 디스플레이에 나누어 출력할 수 있도록 하는 모드로, 쉽게 단일 프레임버퍼로 구성되는 멀티 디스플레이 고해상도 환경을 만들 수 있도록 한다. 특히 고급 사용자를 위한 멀티포트 기반 4K 급 모니터도 고가의 전문가형 그래픽 카드 없이 활용할 수 있게 한다는 점이 독특하다.
▲ 4세대 인텔 코어 i7-4770k 프로세서 제품 주요사양
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