2. 28nm 공정 + GCN 아키텍처 = HD 7900
AMD와 엔비디아 (NVIDIA) 양사는 신공정인 28nm를 이용해 차세대 GPU를 준비해 왔으며, AMD는 엔비디아에 앞서 하이엔드 라데온 HD 7970의 출시를 발표하며 28nm 공정을 기반으로 한 첫 그래픽카드를 발표했다.
라데온 HD 7900 시리즈는 28nm 공정 외에도 그동안 사용되어온 VLIW 아키텍처를 버리고 새로운 GCN (Graphics Core Next) 아키텍처를 도입한 것이 특징이다.
라데온 HD 6000 대체하는 HD 7000 라인업
AMD는 2세대 DX11 카드인 라데온 HD 6800 시리즈와 라데온 HD 6900 시리즈를 각각 퍼포먼스와 하이엔드 시장에 투입했고 메인스트림의 라데온 HD 6700 시리즈는 기존 라데온 HD 5700 시리즈의 리브랜딩, 그리고 플래그십 듀얼 GPU는 이전보다 성능이 개선된 라데온 HD 6990이 등장해 엔비디아 (NVIDIA) 지포스 500 시리즈 라인업에 대응했다.
이들 2세대 DX11 카드를 잇는 차세대 라데온 HD 7000 시리즈는 2012년 1분기를 시작으로 시장에 등장하며, 기존 세대보다 한단계씩 높은 성능을 제공할 것으로 알려졌다.
라데온 HD 7000 시리즈는 하이엔드 기반 라데온 HD 7900 시리즈가 가장 먼저 시장에 투입되며, 뒤를 이어 퍼포먼스 라데온 HD 7800 시리즈, 그리고 메인스트림 라데온 HD 7700 시리즈, 플래그십 듀얼 GPU인 라데온 HD 7990도 시장에 투입된다.
경쟁사인 엔비디아 (NVIDIA)는 28nm 공정의 차기 GPU인 케플러 (Kepler)를 저가 및 보급형, 그리고 메인스트림 시장부터 투입할 것으로 예상되기 때문에 라데온 HD 7900 시리즈는 경쟁 제품의 등장 전까지는 단일 GPU 중 가장 높은 성능을 제공할 것으로 예상된다.
28nm 신공정 도입, 다이 사이즈 줄고 트랜지스터 집적도 증가
그래픽카드 업계는 현재의 주력인 40nm 공정 이후 32nm 공정으로 넘어가려 했으나 반도체 업계에서 32nm 공정을 건너뛰고 바로 28nm 공정으로 넘어감에 따라 AMD와 엔비디아 양사는 28nm 공정을 기반으로 차세대 GPU를 개발해왔다.
AMD는 경쟁사와 마찬가지로 공정을 개선할 때마다 다이 사이즈를 줄이고 트랜지스터 집적도를 높여 성능과 전력 효율, 그리고 동작 클럭 및 생산 비용의 향상을 이루어왔다. 신공정 초기에는 수율 문제를 겪었으나 안정화 이후에는 가격 하락 등이 이루어졌다.
라데온 HD 7900 시리즈는 28nm 공정과 기존보다 2배 더 늘어난 43억 1천만 개 (4.31B)의 트랜지스터가 집적되었다. 다이 사이즈는 신공정인 28nm에 힘입어 라데온 HD 6900의 389mm^2보다 더 줄어든 365mm^2의 크기를 가진다.
라데온 HD 6900 시리즈는 라데온 HD 5800 시리즈의 21억 5천만 개 (2.15B)보다 4억 9천만 개 더 늘어난 26억 4천만 개의 트랜지스터가 집적, 다이사이즈도 389mm^2로 334mm^2인 라데온 HD 5800 시리즈 (RV870)보다 커졌다. 지포스 GTX 570/ GTX 580에 사용된 GF110은 529mm^2 (30억 개), 라데온 HD 6800 시리즈는 255mm^2 (17억 개), 지포스 GTX 460 시리즈에 사용된 GF104는 331mm^2 (19억 5천만 개)다.
코드명 서던 아일랜드, 라데온 HD 7900
라데온 HD 6000 시리즈의 코드명은 노던 아일랜드 (Nothern Islands)로 불리었고 라데온 HD 7000 시리즈는 서던 아일랜드 (Southern Islands)로 불린다.
하이엔드 버전은 코드명 타히티 (Tahiti XT/ Pro), 퍼포먼스는 Pitcairn, 메인스트림은 Cape Verde로 라데온 HD 6900 시리즈부터는 기존 AMD 스윗스팟 (Sweet Spot) 정책에서 벗어나 본격적으로 하이엔드 GPU를 시장에 투입한다. 이들 3단계의 라인업은 새로운 GCN 아키텍처를 적용할 것으로 알려졌다.
AMD GPU에 도입된 GPU 아키텍처
GPU 렌더링은 초기 지오메트리 및 광원 처리를 지원하는 T&L (Transform & Lighting)에서 버텍스 쉐이더와 픽셀 쉐이더 처리가 주요한 연산 과정인 DirectX 9에 도입되었다. 이후 DirectX 10에는 버텍스 쉐이더와 픽셀 쉐이더 처리를 통합한 통합쉐이더 (Unified Shader)를 도입하며, 연산 유닛을 스트림 프로세서 (SP, Stream Processor)로 부른다.
엔비디아는 DirectX 11로 넘어가면서 페르미에 MIMD (Multiple Instruction, Multiple Date)의 1D 스칼라 아키텍처로의 변화를 이루었다. AMD는 라데온 HD 2900 시리즈부터 4D +1D 아키텍처를 유지해 VLIW5, 그리고 4D (1D 슈퍼 스칼라 유닛 제외)로 교체한 VLIW4 아키텍처를 라데온 HD 6900 시리즈에 도입했다.
VLIW 아키텍처는 대부분의 명령어 처리를 하드웨어로 진행하는 기존 아키텍처와 달리 명령어를 소프트웨어로 처리해 프로세서의 복잡성을 줄여 명령 수행을 빠르게 한다. 이는 더 많은 수의 실행 유닛을 적용한 라데온 시리즈의 특성을 대변하고 있으며, SIMD에서 MIMD로 병렬 처리를 개선한 페르미 (Fermi)는 라데온 시리즈와 달리 실행 유닛의 수는 적고 명령 처리에 관련된 유닛이 늘어나 복잡한 구조를 가진다.
VLIW는 대신 스트림 프로세서 증가에 따른 효율이 떨어지는 문제가 있으며, 긴 명령어로 스케쥴러로 관리되므로 최적의 성능을 항상 이끌어내기 어려운 단점이 있다.
새롭게 설계된 라데온 HD 7900의 GCN 아키텍처
GCN (Graphics Core Next) 아키텍처의 특징은 그래픽 성능 향상을 위한 기능, 그리고 고밀도 연산 및 멀티태스킹, 전력 효율 개선, 이종간의 컴퓨팅 및 GPGPU 최적화, 퓨전 시스템 아키텍처와 연계, 확장성 및 유연성을 개선했다.
라데온 HD 7900 시리즈는 VLIW 아키텍처와 마찬가지로 실제 실행 유닛은 여전히 엔비디아보다 많다. GCN 아키텍처가 VLIW 아키텍처와 달라진 부분은 인텔의 라라비 (Larrabee)를 연상케하는 유사한 아키텍처 구조 (16-Wide Vector SIMD) 및 엔비디아 (NVIDIA) 페르미 아키텍처와 유사하게 그래픽 처리 성능의 향상뿐만 아니라 병렬 처리 및 GPGPU 처리 성능을 크게 개선했다는 점이다.
AMD는 VLIW5/ VLIW4 아키텍처 대신 MIMD 스칼라 아키텍처로 전환할 것으로 알려졌으나 AMD는 GCN 아키텍처를 SIMD 어레이 기반의 MIMD 아키텍처 (Non VLIW ISA with Scalar and Vector)로 정의하며, MIMD 아키텍처가 맞지만 SIMD 구조를 갖추고 있어 SIMD 아키텍처와도 연관된다.
[확장성과 유연성, 그래픽 및 GPGPU를 강화한 GCN 아키텍처]
AMD GCN 아키텍처는 그래픽 처리 유닛은 SIMD 어레이 대신 컴퓨트 유닛 (CU, Compute Unit)으로 구성한다. CU는 페르미의 스트리밍 멀티프로세서에 해당하며, 페르미의 SM 유닛은 1클럭 사이클에 32개 명령어 실행, GCN의 CU는 1사이클에 40웨이브프론트를 실행한다. (4개의 SIMD 어레이 병렬 연산은 1사이클에 4 스레드 지원)
GCN 아키텍처는 스칼라 (Scalar)와 벡터 (Vector) 유닛 조합이다. 벡터 유닛은 4개의 SIMD 어레이를 병렬 실행할 수 있게 해주며, 이 것이 GCN의 MIMD 아키텍처 구조다. GCN은 여전히 SIMD 구조로 각 SIMD 유닛은 매 클럭 사이클에 64개의 FMAD (곱셈/뺄셈) 벡터 연산을 싱행하며, 4개의 SIMD 어레이는 동기화되어 CU 유닛이 1사이클마다 4 스레드가 실행되는 MIMD 아키텍처의 특징을 갖는다. 여기에서 GCN의 SIMD 어레이 구성은 CU의 벡터 유닛만을 말한다.
VLIW4가 1사이클에 4번의 조작이 가능지만, 1개의 명령으로 복잡한 스케쥴러 관리가 필요하다. 반면 GCN은 스케쥴러 관리가 보다 자유로워지며, 1개의 ALU 조작으로 4개의 SIMD는 4개의 스레드로 동작되고 이용률은 100%에 가까워진다. AMD는 VLIW4 아키텍처가 특수하고 복잡하며, 한정된 용도의 사용이나 GCN은 간단하고 표준적인 활용이 가능하다고 밝혔다.
GCN 아키텍처는 멀티 레벨 캐시를 활용하며, 벡터 ALU와 스칼라 ALU 유닛을 모두 갖춘 GCN은 CPU보다 복잡해졌고 벡터 유닛은 16KB 데이터 캐쉬, 4개의 CU 유닛은 16KB의 스칼라 L1 데이터 캐쉬와 32KB L1 명령어 캐쉬를 제공한다. 모든 L1 캐쉬는 읽기와 쓰기 가능하며, 이전은 읽기만 지원했다.
L2 캐쉬는 64bit로 L1과 연결되며, L2 캐쉬는 64-128KB의 크기를 제공하며, 라데온 HD 7970은 6개의 64bit GDDR5 컨트롤러로 L2 캐쉬는 총 384-768KB의 용량을 갖게 된다. 모든 L2 캐쉬는 데이터 동기화로 모든 CU가 같은 데이터를 쓸 수 있게 된다.
GCN의 캐쉬 설계는 데이터 동기화 및 공유에 최적화하여 CPU와 GPU의 혼합 연산 능력을 높였다. x86 가상 메모리 지원으로 GPU와 CPU 데이터 공유를 위한 고속 채널을 제공하여 범용 연산과 3D 게임 연산 성능 (대용량 텍스처 지원 게임, 레이지 (Rage) 등)에 도움이 된다.
페르미의 SM 유닛은 L1 64KB와 L2 768KB를 공유한다. GCN은 CU에 로컬 64KB 캐쉬는 같으나 L1 명령어 32 KB에 스칼라 유닛은 16KB L1과 L2 768KB를 공유한다. 모든 L1 캐쉬는 연동되어 메모리 데이터를 동기화할 수 있으며, 페르미 아키텍처는 그렇지 못해 GCN이 유리한 부분이다.
또한 대용량 텍스처 처리를 위한 Partially Resident Texture (PRT) 기술도 지원되며, 텍스처 필터링 품질 개선 (anisotropic Filtering 알고리즘 개선, AF)이 이루어졌다. 다. 기존 소프트웨어적인 처리에서 AMD는 PRT 지원으로 하드웨어적인 처리를 지원한다. PRT는 32TB의 텍스처 데이터 처리가 가능하며, ROPs 조작 및 Z 버퍼 유닛 독립 조작, 그리고 모든 텍스처 조작을 캐쉬의 읽기와 쓰기로 조작할 수 있는 내용 등이 포함된다.
VLIW 아키텍처는 동작을 위한 최적화가 어렵고 드라이버로 이한 성능 향상을 위한 최적화가 필요했는데 GCN 아키텍처 역시 앞으로 최적화를 위한 노력이 필요하고 드라이버 최적화에 따른 성능을 기대할 수 있다. 더불어 28nm 신공정 도입으로 동작 클럭 향상의 잠재력이 높다.
GPU 컴퓨팅 성능 즉, 과학연산에 주로 활용되는 싱글 프리시전 (Single Precision, FP32) 연산은 라데온 HD 7970이 3.79TFLOPs, VLIW4 아키텍처의 라데온 HD 6970이 2.7TFLOPs로 크게 증가했으며, 더블 프리시전 연산 (Double Precision, FP64)은 각각 1/4로 라데온 HD 7970이 947.5GFLOPs의 처리 성능을 제공한다. 라데온 HD 6970은 더블 프리시전 연산이 1/4, 라데온 HD 5800 시리즈는 1/5다.
GPU 컴퓨팅 성능은 스퀘어 mm (sq.mm 당 성능) 당 연산 성능이 개선되었다. 라데온 HD 7970이 라데온 HD 6970 대비 2배에서 최대 4배 이상 (AES256, 암호화 처리)까지 향상된다.
GPU 연산 기술인 공개표준 OpenCL 1.2와 Microsoft C++AMP, DirectCompte 11, 그리고 AMD Stream에서 이름을 바꾼 AMD APP (App Acceleration)과 같은 GPGPU 기술도 지원된다.
라데온 HD 7900 시리즈 특징
[GCN 아키텍처 기반의 라데온 HD 7900]
AMD는 라데온 HD 2900 시리즈를 시작으로 본격적인 VLIW (Very Long Instruction Word) 아키텍처 (라데온 HD 2900부터 라데온 HD 5800 시리즈는 5-Way VLIW, VLIW5, 5D)를 이용해 그래픽카드를 만들었고 라데온 HD 6900 시리즈에서 효율을 개선한 VLIW4 (4-Way VLIW, 4D) 아키텍처를 적용해 하이엔드 시장을 두드렸다.
라데온 HD 7900 시리즈는 코드명 타히티 (Tahiti XT/ Pro)로 새로운 아키텍처인 GCN (Graphics Core Next)이 적용된다. GCN 아키텍처는 VLIW 아키텍처 (라데온 HD 2900은 5-Way VLIW (5D), 라데온 HD 6900은 4-Way VLIW (4D) 아키텍처)의 정점인 라데온 HD 5800 시리즈부터 도입해온 CPU식 듀얼 코어화를 따랐으며, 듀얼 지오메트리 엔진을 제공한다.
GCN 아키텍처를 구성하는 실행 유닛은 컴퓨트 유닛 (Compute Unit)으로 불리며, 최대 32 CU로 구성된다. (이전 VLIW4는 SIMD 유닛 (24 SIMD/ 64SP)) 라데온 HD 7970은 32 CU 구성 (ALUs 유닛은 64개)으로 최대 2048SP (2048 ALUs, 스트림 프로세서, Stream Processor)를 제공한다. 렌더 백 엔드 (Render Back-Ends) 유닛은 8개로 구성되며, 클럭 당 32 컬러 ROPs와 클럭 당 128 Z/Stensil ROPs를 처리한다. 즉 32 ROPs를 제공하며, 이는 라데온 HD 6970과 동일한 숫자다.
읽기와 쓰기를 지원하는 L2 캐쉬는 최대 768KB를 지원하며, 메모리 인터페이스도 기존 256bit에서 384bit 메모리 버스와 GDDR5를 지원해 최대 264GB/s의 메모리 대역폭을 제공한다. 28nm 공정 적용과 함께 PCI-Express 3.0 규격도 처음으로 지원하는 GPU다.
라데온 HD 6800시리즈부터 DirectX 11 API의 GPGPU 기술인 DirectCompute를 이용한 그래픽 후처리 AA 기술인 MLAA (Morphological Anti-Aliasing)가 적용되는데 라데온 HD 6900 시리즈에 이어 라데온 HD 7900 시리즈도 지원하며, 라데온 HD 6900 시리즈에 적용된 EQAA 기법 (Enhanced Quality Anti-Aliasing)도 지원한다. EQAA는 엔비디아의 CSAA 기술과 유사하며, MSAA 기술의 컬러 샘플 추출과 픽셀에 추가 샘플을 더해 기존 AA 기술보다 이미지 품질을 개선한다.
PCI-Express 3.0을 최초 지원하는 HD 7900
[라데온 HD 7900 시리즈는 PCI-E 3.0 최초 지원]
라데온 HD 7970은 PCI-Express 3.0을 처음으로 지원하는 그래픽카드다. 현재 인텔 6 시리즈 메인보드가 PCI-Express 3.0 규격을 지원하고 있으며, 올해 4월 8일 출시 예정인 22nm 아이비브릿지 (Ivy Bridge) 프로세서가 PCI-Express 3.0을 지원한다.
또한 인텔 하이엔드 라인업의 샌디브릿지-E (Sandy Bridge-E) 프로세는 아이비브릿지보다 앞서 출시된 PCI-Express 3.0 지원 CPU이며, 이를 지원하는 인텔 X79 칩셋은 PCI-Express 3.0 규격을 지원한다.
PCI-Express 3.0은 2.0 규격보다 2배 늘어난 최대 32GB/s 전송속도를 제공하기 때문에 앞으로 대역폭을 요구하는 게임 등에 적합하다. 현재는 PCI-Express 2.0 규격으도로 게임 등에서는 충분한 성능을 제공하며, GPU 컴퓨팅 즉, GPGPU 분야에서 대역폭 증가에 따른 향상을 기대할 수 있다. 차후에는 더 높은 대역폭을 요구할 것으로 예상되기 때문에 PCI-Express 3.0의 도입은 환영할만 하다.
DirectX 11.1을 처음 지원하는 HD 7900
라데온 HD 7900 시리즈는 신공정인 28nm와 새로운 GCN 아키텍처, 그리고 PCI-Express 3.0 규격 지원 외에도 DirectX 11.1을 처음으로 지원하는 그래픽카드다.
DirectX 11.1은 크게 3D 스테레오 본격 지원, TBDR (Tile Based Deferred Render), 그리고 TIR (Tager Independent Rasterization), 더블 프리시전 쉐이더 연산, 그래픽과 비디오 효율적인 조작 등의 향상이 이루어진다.
AMD에서는 HD3D, 엔비디아는 3D 비전 (3D Vision)을 통해 지원이 이루어지는 스테레오 3D는 다이렉트 3D API에 추가되어 3D 렌더링에 도입할 수 있게 된다.
TBDR이 도입되는 DirectX 11.1은 픽셀을 그리는 기존 Z버퍼 렌더링과 달리 픽셀을 그리지 않아 연산량을 줄여 모바일 및 저전력 장치에 보다 효과적이다. TIR은 하드웨어 개선을 통해서만 이루어져야 하는 기술로 픽셀 처리 후 레스터라이제이션을 TIR을 이용해 CPU 작업을 GPU에 옮기고 Direct 3D의 AA 처리 성능도 개선한다.
더블 프리시전 쉐이더 연산은 FP65로 알려져 있으며, FP64 더블 프리시전 연산 지원에서 더 나아가 GPU 렌더링 등으로 보다 확대되어 사용할 수 있다. 그래픽 처리 및 비디오 처리 조작에도 GPU 능력을 보다 확대 적용 가능해지며, 기존 Direct D3D 9/10 영상을 D3D 11로 넘겨 처리 과정 단축과 처리 효율을 높였다.
DirectX 11.1은 DirectX 11의 일부 업그레이드로 볼 수 있으나 DirectX11의 부족한 부분을 개선할 수 있으며, 마이크로소프트는 윈도우 8의 등장과 함께 공개할 것으로 알려졌다.
9세대 테셀레이션 유닛으로 DX11 테셀레이션 성능 강화
라데온 시리즈는 라데온 HD 5800 시리즈부터 본격적으로 DirectX 11을 지원하기 시작했고 이때는 7세대 테셀레이터가 활용되었다. DirectX 11 이전에는 AMD에서 트루폼 (Truform)으로 소개한 기술이며, DX11에서 본격적으로 도입되면서 테셀레이터로 불린다.
라데온 HD 6900 시리즈는 CPU식 듀얼 코어화에 따라 2개로 늘어난 8세대 테셀레이터를 통해 기존보다 처리 성능을 높였다. 라데온 HD 7900 시리즈 역시 CPU식 듀얼 코어화를 유지하면서 보다 향상된 9세대 테셀레이터를 바탕으로 DirectX 11과 테셀레이션 처리 성능을 개선했다.
AMD와 NVIDIA 제품군 비교
DX11과 VLIW4 아키텍처, 듀얼 그래픽 엔진, 8세대 테셀레이터를 제공하는 라데온 HD 6900 시리즈와 달리 라데온 HD 7900 시리즈는 DX11.1과 PCI-Express 3.0, 그리고 GCN 아키텍처, 듀얼 지오메트리 엔진, 9세대 테셀레이터를 탑재해 그래픽 성능뿐만 아니라 GPGPU 처리에도 보다 적합해졌다.
라데온 HD 7900 시리즈 중 가장 먼저 등장한 라데온 HD 7970은 28nm 신공정과 GCN 아키텍처를 처음 적용하는 GPU로 코어 925/ 메모리 5500 (1375)MHz가 적용되며, 2048SP와 384bit 메모리 버스, 32 ROPs, 128개의 텍스처 유닛을 제공한다. 그 외 MLAA 및 EQAA, AF 처리 성능 등도 강화했다.
라데온 HD 7970은 549달러 ($549)의 가격을 형성할 것으로 알려져 하이엔드 시장의 지포스 GTX 580의 초기 등장 가격인 499달러 ($499)보다 높은 가격을 형성하게 된다. 플래그십 듀얼 GPU의 699달러 ($699)보다는 낮아 이들 사이에 적합한 성능과 가격대를 제시한다. 국내에서는 70만원 초반에서 80만원 초반 사이에 가격이 형성된다.
열설계전력인 TDP는 라데온 HD 7970이 제로코어 파워 기술 (ZeroCore Power)과 파워튠 (PowerTune) 기술을 조합해 아이들시 3W 이하, 로드시 250W 내외의 스펙을 제공한다. 라데온 HD 6990이 아이들 37W, 로드시 게임은 350W, 파워튠 최대 TDP는 375W다. 라데온 HD 6970/ HD 6950은
아이들시 20W는 동일하고 로드시 게임동작시 각각 140/ 190W이며, 파워튠
기술로 최대 TDP는 250/ 200W로 억제된다. 지포스 GTX 570/ 580은 로드시 각각
219W/ 244W, 지포스 GTX 580은 365W의 스펙을 제공한다.
라데온 HD 7970은 새로운 GCN 아키텍처와 라데온 HD 6900 시리즈보다 늘어난 스트림 프로세서를 제공하며, 내부 처리 효율 개선과 DX11.1, 테셀레이션 강화, 그리 GPU 컴퓨팅 성능을 개선하고 있다.
지금까지 살펴본 라데온 HD 7970의 스펙을 정리하면 아래와 같다.
- DirectX 11.1, 그래픽 및 GPGPU 연산에 최적화된 GCN 아키텍처
- 테셀레이터 및 멀티태스킹 및 멀티스레딩 능력 강화 (동시실행
능력)
- 테라스케일, 향상된 지오메트리 및 게이밍 성능
- 스트림
프로세서 2048 (HD 6970 1536/ HD 6950 1408)
- 28nm 및 384bit 메모리 버스와 GDDR5 3GB 메모리 용량
- 텍스처 유닛 128로 텍스처 처리향상 (HD 6970 96/ HD 6950 88)
- 24X CFAA 향상 및 MLAA/
EQAA 기법 지원
- 8 Render Back-Ends (ROP) 유닛, 32 ROPs (HD 6970/ 6950
32)
- 전력관리 개선 (클럭 및 전압 스위칭, GDDR5
클럭 및 전압 감소)
라데온 HD 6900 시리즈, HD 6800 시리즈와 HD 5800 시리즈, HD 4800 시리즈에 대한 내용은
지난 기사인 하이엔드로의 귀환, AMD 라데온 HD 6900 시리즈, HD 5700 시리즈를 대체하는 차기 GPU, AMD 라데온 HD 6800, [이론편] 공정으로 압도하는
RV770. ATI Radeon HD 4800 시리즈와 [이론편] Over the GeForce!
라데온HD5800의 모든것 기사를 참조하자.
지포스 GTX 400 시리즈와 GTX 200 시리즈에 대한
내용은 드디어 출시된 엔비디아 Fermi, 지포스 GTX 400 완벽 분석기사와 게임을 넘어서는 GPU, NVIDIA GeForce GTX 200 시리즈
기사를 참조하자.
