스카이레이크 CPU가 출시된지 두 달이 넘어가면서 일반 사용자들이 가장 궁금해할 성능이나 소비전력 등 실제 사용에 관계된 내용은 충분히 알려졌지만, 보다 근본적인, 즉 스카이레이크 아키텍처에 대해서는 많이 알려지지 않았다.
물론 자동차 구조를 몰라도 운전하는데 지장없지만 몇 cc 엔진에 브레이크와 조향 시스템은 어떤 방식인지 등을 알고 나면 자신에게 맞는 모델을 고르고 선택할 수 있듯, CPU도 아키텍처를 몰라도 PC를 꾸미고 사용하는데 문제가 없지만, 아키텍처에 대해 알고나면 그 활용도가 높아지기 마련.
이번 기사에서는 인텔 스카이레이크 아키텍처에 대해 자세히 알아보는 시간을 갖도록 하겠다.
성능 개선을 위한 튜닝 이뤄진 스카이레이크 아키텍처
인텔 스카이레이크 플랫폼은 칩셋 I/O가 대폭 개선되었으며, 오디오 DSP 업그레이드와 태블릿 I/O 지원, 센서허브, 보다 고해상도 지원, IPC 및 전력 효율 개선, 링버스와 LLC 향상, 모바일 디바이스를 위한 카메라 ISP 통합, 오버크러킹 확대 및 DDR4 메모리 지원, eDRAM 지원을 포함해 9세대로 업그레이드된 그래픽 코어를 특징으로 한다.
스카이레이크 아키텍처는 세그먼트별 최적화와 함께 프론트 엔드 개선을 위해 더 높은 용량과 향상관 분기 예측, 보다 깊은 캐시 기반의 더 넓은 명령 공급, 빨라진 프리패치, 더 깊은 수준의 비순차 버퍼를 통해 명령 병렬도를 높이고, 더 많은 실행 유닛의 레이턴시 감소와 비사용 상황에서의 전력 공급 중단을 통한 전력 효율 증가, AES-GCM 명령의 실행 속도 17%, AES-CBC 명령의 실행 속도 33%를 이뤄냈다.
로드/ 스토어 대역폭 역시 개선되었는데, 프리패치 향상, 더 깊어진 스토어(store) 버퍼/ 필(fill) 버퍼/ 라이트 백(write-back) 버퍼, 페이지 미스 핸들링 개선과 L2 캐시 미스 대역폭 개선, 향상된 캐시 관련 명령어, 하이퍼스레딩 개선이 이뤄졌다.
2세대 코어 i시리즈인 샌디브릿지와 4세대 코어 i시리즈인 하스웰과 6세대 코어 i시리즈인 스카이레이크의 명령어 윈도우 킵 상황을 비교해보면, 스카이레이크의 비순차 윈도우와 인 플라이트 스토어, 스케줄러 엔트리, 정수 레지스터 파일, 얼로케이션 큐가 향상된 것을 알 수 있다.
메모리 사이드 캐시로 활용 가능해진 eDRAM
하스웰과 브로드웰에서 LLC 캐시의 일부 L4 태그를 통해 접근해야했던 eDRAM은, 스카이레이크에와서는 시스템 에이전트와 연결된 eDRAM CTL과 연결되어 필요할 경우 L3 캐시를 우화힐 수 있는 동시에 시스템 메모리의 사이드 캐시로 쓰일 수 있다.
또한 CPU와 통합 그래픽, I/O, 등 데이터 종류를 가리지 않고 eDRAM에 엑세스 할 수 있으며, 캐시의 데이터를 비우지 않아도 일관성을 유지할 수 있게된 스카이레이크의 eDRAM은, 전 세대와 유사하게 Iris 시리즈로 구분되는 고사양 통합 그래픽 적용 모델에 64MB(Iris)와 128MB(Iris Pro) 두 종류로 탑재된다.
오버클럭 강화된 스카이레이크
다른 기사에서도 언급된 부분이지만, 스카이레이크는 PCIe와 DMI 컨트롤러 모듈은 CPU의 다른 부분과 독립되어 오버클럭에 영향을 주지 않으며, 이에 따라 단순히 배수만 조절하는 선에서 그치던 전세대 제품과 달리 베이스 클럭 조절을 통한 오버클럭이 자유로워진 것이 또 다른 특징이다.
전세대에서는 베이스클럭 조절이 100MHz/ 125MHz/ 166MHz 세 가지 스트랩 중에 선택하는 방식이었지만 이번 스카이레이크는 인텔 공식적으로 베이스클럭을 100MHz ~ 200MHz 사이에서 1MHz 단위로 조절할 수 있음을 발히고 있는데, 메인보드 제조사에에서는 별도의 클럭제너레이터를 탑재해 인텔의 공식 스펙보다 세밀한 베이스클럭 조절이 가능한 제품을 출시하고 있다.
스카이레이크에 들어오면서 하스웰 시리즈의 CPU에 통합되었던 전압 컨트롤 모듈인 FIVR(Fully Integrated Voltage Regulator)의 역할을 다시 메인보드가 수행하게 되었다. FIVR 모듈의 통합은 전력 효율 개선 효과를 가져왔지만, 공정 미세화에도 불구하고 전체 CPU의 발열을 높이는 주 요인으로 지목되었던 부분이다.
즉, 기존에는 메인보드의 역할은 CPU가 필요로하는 전력을 공급하면 FIVR가 CPU코어와 그래픽 코어, 시스템 에이전트, 링버스 등에 필요한 전력을 분배해 주었기에 극단적으로 이야기해 메인보드의 전원부가 장식이었다면, 이제는 메인보드 전원부가 다시 재역할을 하게된 셈으로, 특히 오버클러커라면 메인보드의 전원부를 꼼꼼히 챙겨봐야 한다.
DDR4 메모리와 PCU로 저전력 고성능 발판 마련
CPU나 그래픽 카드의 자체적인 성능과 함께 메모리 또한 시스템 성능을 좌우하는 요소 중 하나이지만 이미 DDR3 메모리의 지원이 수년간 이어져오면서 별달리 주목받지 못했는데, 스카이레이크에서는 DDR4 메모리의 지원이 추가되었다.
브로드웰까지의 DDR3 메모리 지원은 최대 클럭 1600MHz에 머물렀지만, 스카이레이크를 통해 메인스트림 플랫폼 지원이 시작된 DDR4 메모리는 최대 클럭 2133MHz로, 대역폭이 약 33% 향상되어, 메모리 집약적인 작업에서 성능 향상을 기대할 수 있게되었다.
또한, 기본 동작 전압 1.5V의 DDR3메모리 대신 기본 동작 전압 1.2V의 DDR4 메모리를 사용함에 따라, 22nm에서 14nm로 공정을 개선한 것과 함께 시스템 소비전력 개선 효과도 이끌어냈다.
스카이레이크는 DDR4 메모리 외에 DDR3L 메모리도 지원하지만, 2015년 11월 초 가격비교 사이트를 기준으로 현재 출시 중인 데스크탑용 DDR3L 메모리는 없으므로, 공식 스펙상 현실적으로 스카이레이크 CPU는 DDR4 메모리 전용인 셈이다.
잘 알려지지 않은 사실이지만, 스카이레이크에서는 FIVR이 빠진 대신 전력 효율을 높이기 위한 PCU(Power Control Unit)과 Speed Shift(스피드 시프트) 기술이 추가되었다.
PCU는 그 이름에서 알 수 있듯 스카이레이크 CPU의 전력 상황을 감지하여 상황에 맞게 전력 배분을 최적화해주는 로직과 컨트롤러 펌웨어를 지칭하며, CPU 코어와 링, PG 슬라이스, PG 로직과 SA의 네가지 파워 도메인을 독립적으로 관리해준다.
또한, P-state의 전력 효율 향상을 위한 스피드 시프트 기술은 기존 EIST가 OS를 포함한 소프트웨어쪽에서 제어해 구현한 반면, 스피드 시프트는 클럭과 전압 변동을 하드웨어 내부 알고리짐에 따라 제어한다.
스피드 시프트는 터보부스트를 포함해 전체 동작 클럭 범위에서 OS 및 하드웨어의 전력 - 성능 제어 기능을 공유해 동작하도록 설계되었으며, MS와 협력해 윈도우 10의 지원 작업이 진행 중으로, 스피드 시프트를 지원하지 못하는 OS에서는 기존의 EIST 기반으로 동작한다.
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