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전송 2017-04-10 12:00
[테크닉]

요리 보고 조리 봐도 알쏭달쏭
메인보드 기능 설계의 비밀은?

PC를 맞출 때 가장 고민 되는 것을 꼽으라면 그 중 하나로 메인보드를 들 수 있겠다.

CPU와 그래픽 카드, 메모리, SSD, HDD는 어느 정도 규격화된 만큼 예산 내에서 적당한 성능과 용량의 제품을 고르면 되지만, 메인보드는 나중에 메모리를 더 달기 위해 메모리 슬롯은 충분한지, 하드디스크/ SSD를 더 달 수 있는 SATA 포트가 부족하진 않은지, 게이머들의 로망 중 하나인 멀티 GPU 구성은 지원되는지, 이것 저것 따져볼 것이 많다.

 

그런데, 메인보드를 살펴보다 보면 한 번쯤 의아한 느낌을 받은 적이 있을 것이다.

분명히 쓰라고 만들어 놓은 기능인데 이걸 쓰면 저걸 못 쓰고, 거기에 뭘 꽂았더니 그게 성능이 확 떨어진다. 게다가 이런 증상은 보급형 제품이 아닌 중고급형 제품에서 더 자주 발견된다.

기자가 최근 접한 예는 ASRock X370 Taichi 디앤디컴 메인보드에서 M.2_2 슬롯 사용시 PCIe x16 슬롯을 사용할 수 없는 것을 들 수 있는데, 이런 일이 벌어지는 이유는 무엇일까?

 

메인보드 기능 제한, PCI Express를 둘러 싼 자원 전쟁

이같은 메인보드의 기능 제한의 근본 원인은 바로 PCI Express(이하 PCIe)라는 한정된 자원을 둘러싼 경쟁 때문이다.

다들 알다시피 현재 PC(메인보드)의 기능 확장은 PCIe 인터페이스를 통해 이뤄지며, 그래픽 카드는 물론이요 SSD, 캡처 카드, TV 카드, 사운드 카드, SATA-USB 카드 모두 PCIe 인터페이스로 나오고 있다.

 

이러한 기능 확장의 핵심인 PCIe 인터페이스는 필요에 따라 자유롭게 세팅할 수 있는데, Lane이라는 단위를 이용해 보통 x1/ x4/ x8/ x16Lane을 한 포트(슬롯으로 이해하면 빠르다.)에 할당할 수 있으며, x2Lane 적용 방식이 제정되기는 했지만 아직 폭넓게 쓰이지는 않는다.

아무튼, 현 세대 PC에서는 CPU와 메인보드 칩셋 두 곳에서 각각 PCIe Lane이 제공되는데, CPU에 직접 연결되는 PCIe Lane은 주로 그래픽 카드 장착을 위한 PCIe x16 슬롯에 할당되기에 자원 선점 문제에서 비교적 자유롭다.

위 사진의 ASRock X370 Taichi 디앤디컴 메인보드에서는 스틸 슬롯이 적용된 PCIe x16 슬롯 두 개가 이에 해당되며, 최신 인텔 플랫폼에서는 최대 세 개의 PCIe x16 슬롯이 CPU와 바로 연결된다.

CPU의 PCIe Lane은 주로 확장 슬롯에만 쓰이기 때문에 자원 선점 문제에서 자유로운 대신 경우에 따라 한 슬롯에 할당할 수 잇는 Lane이 줄어든다.

인텔의 경우 CPU의 PCIe 인터페이스를 이용해 세 개의 PCIe x16 슬롯을 만든다면 각 슬롯에 할당되는 PCIe Lane은 x8/ x4/ x4로 제한되며, 인텔과 AMD 모두 두 개의 PCIe x16 슬롯을 만들 경우에는 실제 대역폭이 PCIe x8/ x8로 제한되는 것이다.

 

플랫폼 구성의 기본 메인보드 칩셋, 자원 선점 이슈 가능성 높아

CPU의 PCIe Lane이 사용되는 PCIe x16 슬롯은 경우에 따라 성능이 낮아지기는 해도 사용이 불가능해지지 않도록 설계되는 것이 보통이지만, SATA / USB / 확장 슬롯 등 다양한 기능 확장에 쓰이는 메인보드 칩셋의 PCIe Lane으로 눈길을 돌리면 상황이 달라진다.

 

당장 예시로 든 ASRock X370 Taichi 디앤디컴 메인보드에는 10개의 SATA 포트가 구현되어있는데, X370 칩셋 자체적으로는 8개의 SATA 포트만 제공하기 때문에 2개의 SATA 포트를 추가 구현하기 위해 ASM1061 컨트롤러가 쓰였다.

해당 컨트롤러 설명을 보면 1개의 PCIe Lane을 통해 2개의 SATA 포트를 구현한다고 표현되어 있으며, 그래픽 카드 장착용 PCIe x16 슬롯을 제외한 거의 모든 기능에 메인보드의 PCIe 인터페이스가 사용된다. 

그렇다면 여기서 잠깐 실제 메인보드에서 어떤 식으로 PCIe 인터페이스가 사용되는지 알아보자.

 

위 이미지에서 붉은색은 메인보드 칩셋(X370), 푸른색은 CPU(AMD Ryzen)의 PCIe 인터페이스를 사용한다.

스틸 슬롯인 2개의 PCIe x16 슬롯은 CPU의 PCIe 3.0 x16Lane을, 32Gbps 대역폭의 PCIe NVMe 타입과 SATA 타입 M.2 SSD를 모두 지원하는 M.2_1 슬롯도 라이젠 CPU의 PCIe Lane과 연결되며, 단순 구조만 보면 총 PCIe 3.0 x40인터페이스가 필요하다.

사진상 가장 좌측의 PCIe x16슬롯과 PCIe x1 슬롯 두 개, 앞서 안급한 ASM1061컨트롤러, 우측 추가 M.2_2 슬롯, 사진에 잘 보이지는 않지만 백패널 쪽 무선 모듈을 위한 PCIe x1 슬롯은 메인보드 칩셋의 PCIe 인터페이스에 연결되며, 이들이 동시에 문제없이 동작하기 위해서는 총 PCIe 2.0 x12Lane이 요구된다.

 

앞서 말했듯 ASRock X370 Taichi 디앤디텀 메인보드 구성을 보면 CPU에서 총 40개의 PCIe Lane을 제공해줘야 하지만 라이젠 CPU를 보면 PCIe 인터페이스는 총 20개에 불과해 20개의 PCIe Lane이 부족하기 때문에 여기서 약간의 트릭이 필요하다.

하나의 그래픽 카드만 사용할 경우 두 번째 PCIe x16 슬롯에 PCIe 인터페이스를 할당할 필요가 없으니 첫번째 PCIe x16 슬롯이 PCIe 3.0 x16Lane을 모두 할당해주고, SLI나 CF등의 멀티 GPU를 구성하거나 확장 카드 방식의 SSD를 그래픽 카드와 함께 스틸 슬롯에 쓸 때는 각 슬롯에 PCIe 3.0 x8Lane을 배분해 주는 것이다.

참고로, 라이젠 CPU는 SoC화 되면서 I/O 기능을 위해 PCIe 3.0 x4인터페이스와 2개의 SATA 포트 기능을 갖췄으며, 이 때문에 ARock X370 Taichi 디앤디컴 메인보드에는 사진상 CPU 소켓에 가까운 M.2_1 슬롯은 다른 메인보드 기능이나 PCIe 3.0 x16 스틸 슬롯 상황에 영향을 받지않고 정상 동작한다.

 

메인보드 칩셋의 PCIe 인터페이스가 사용되는 기능을 보면 총 PCIe 2.0 x12Lane이 필요하지만 X370 칩셋에 구비된 PCIe Lane은 x8에 불과하다. 따라서 이를 앞서 CPU의 경우와 같이 나눠써야 하기에, 개발사는 어떤 식으로 PCIe Lane을 나눌지 경우의 수를 따져보아야 한다.

ASRock은 X370 Taichi 디앤디컴 메인보드에 대해서는 앞서 말했듯 검은색 PCIe x16 슬롯과 M.2_2 슬롯이 PCIe x4Lane을 공유하는 방식으로 문제를 해결했다. 따라서 검은색 PCIe x16슬롯에 여타 확장 카드를 꽂으면 M.2_2 슬롯을 쓸 수 없고, M.2_2 슬롯에 SSD를 꽂으면 검은색 PCIe x16슬롯을 쓸 수 없는 것이다.

이때 검은색 PCIe x16슬롯과 M.2_2 슬롯에 PCIe x2Lane을 분배하면 성능에 영향은 있어도 동작자체에 문제는 없겠지만, 최신 시스템에서는 확장 카드나 M.2 SSD 사용 비중이 높지 않은 점을 감안한 조치로 풀이된다.

한편, M.2_2 슬롯은 PCIe 인터페이스만 사용하도록 설계되었기 때문에 SATA 타입 M.2 SSD는 연결해도 쓸 수 없지만, 인텔 계열 일부 메인보드에서 SATA 타입 M.2 SSD 연결 시 일부 SATA 포트를 쓸 수 없는 경우가 발생하지 않는다.

 

메인보드 기능의 비활성화, 제한적 자원의 활용문제

지금 이순간에도 세계 어디선가 계속되고 있을 자원 전쟁같이, PC 메인보드 제조사 역시 제한된 자원을 이용해 타사와 차별화하기 위한 디자인 전쟁을 계속하고 있다.

 

물론 기능과 디자인 개선을 위한 자원이 부족하면 추가하면 해결된다. ASRock Z270 슈퍼캐리어 디앤디컴 메인보드는 당초 PCIe 3.0 x8/ x4/ x4Lane으로 분배 가능한 CPU쪽 PCIe Lane을, PLX PEX 8747 스위치를 추가해 PCIe 3.0 x8/ x8/ x8/ x8Lane으로 확대해 내었다.

꼭 PLX PEX 8747 스위치 때문은 아니지만, 아무튼 기능과 디자인 강화에 대한 반대 급부로 해당 제품 가격은 부담이 크지 않은 중고급형 메인보드의 두 배 가까이 높게 책정되었다.

어쨌든, A를 얻기 위해서는 B를 포기하거나 C를 더 해야하는 등가교환 법칙은 PC 메인보드도 예외는 아니며, 이는 메인보드 칩셋이나 CPU의 기본 PCIe Lane 갯수가 늘어난다 해도, 그때는 거기에 맞춰 더 많은 새로운 기능이 등장하거나 디바이스가 재성능을 내기 위해 요구되는 PCIe Lane의 확대로 늘어난 PCIe Lane으로도 부족할 수 있다.

결국, PCIe Lane을 둘러싼 메인보드 기능의 설계는 제조사와 소비자 모두가 어쩌면 영원히 안고가야할 고민거리가 될 것이다.

  태그(Tag)  : PCI-Express, 메인보드(칩셋), 디앤디컴, AMD X370/ B350/ A320, 인텔 Z270
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  이상호 기자 / 필명 이오니카 / 이오니카님에게 문의하기 ghostlee@bodnara.co.kr
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2014년부터 어려운 이야기를 쉽게 하는 것으로 편집방침을 바꿉니다.
heaye / 17-04-10 13:43/ 자국/ 신고/ 이댓글에댓글달기
1. 인텔메인보드가, AMD메인보드보다 PCIe 지원 lane갯수가 2배 많음
2. AMD메인보드는 칩셋에서 PCIe 2.0 만 지원하고 3.0은 지원 안함.
3. 인텔 B칩셋보다 H칩셋이, 그리고 Z칩셋이 더 많은 PCIe lane을 제공함.
4. 인텔 1151소켓cpu보다 인텔 2011소켓cpu가 더 많은 PCIe lane을 제공함.
heaye / 17-04-10 13:45/ 자국/ 신고/ 이댓글에댓글달기
같은 칩셋(B/H/Z) 내에서도
mATX규격 보드보다 ATX보드가 더 많은 확장성을 제공함.

ASUS기준으로 -A모델보다 -PLUS모델이, 또 그보다 -PRO 모델이 더 많은 확장성을 제공함.
cpppki / 17-04-11 0:26/ 자국/ 신고/ 이댓글에댓글달기
-On Mobile Mode -
라이젠 CPU는 SerialATA를 직접 CPU와 연결하나요? CPU와 저장장치(HDD/SSD)가 직결되어 있다니 신기하네요.
이오니카 ghostlee님의 미디어로그 가기  / 2017-04-11 12:31/ 자국/ 신고/
혹시 오해 하실까봐 다시 적습니다만, 라이젠 CPU는 자체적으로 2개의 SATA 포트 직결이 가능해도 현재 X370 보드 대부분은 이 SATA 포트를 M.2 슬롯의 SATA 타입 SSD 지원용으로 쓰고 있습니다.

일부 B350 칩셋 메인보드는 CPU와 직결되는 SATA 포트가 갖춰진 걸 보았는데, CPU 직결 SATA 포트 색상은 칩셋 SATA 포트의 색상과는 다르더군요.

아마 구별을 위해서 이런 식으로 디자인한 거 같으니, 제품 보실 때 참고하시면 좋을 것 같습니다.

꾸냥 / 17-04-16 11:16/ 자국/ 신고/ 이댓글에댓글달기
-On Mobile Mode -
자원이 많으면 많은대로 적으면 적은대로 고민이군요
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