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 블룸필드와 같은 네할렘 마이크로아키텍처 적용된 린필드
린필드 프로세서는 먼저 등장한 블룸필드 프로세서와 동일한 네할렘 마이크로아키텍처가 적용되고 있어 기본적인 아키텍처상의 차이는 거의 없다고 봐도 무방하다.
이번 장에서는 블룸필드와 린필드 프로세서에 적용된 네할렘 마이크로 아키텍처의 특징을 살펴본 후 다음 장에서는 블룸필드와 달라진 린필드의 특징들을 살펴보도록 하겠다.
린필드, 블룸필드와 같은 네할렘아키텍처 적용
[인텔의 Tick Tock 전략, 2년 주기로 변화]
인텔은 2년을 주기로 공정 개선과 아키텍처 개선을 통해 CPU의 성능을 높이는 전략을 세우고 있으며, 이 전략은 틱톡 (Tick Tock)으로 알려져 있다. 네할렘 마이크로아키텍처는 45nm 공정이 첫 적용된 펜린에 이어 등장한 새로운 아키텍처가 적용된 프로세서들의 아키텍처 코드명으로 적용된 공정은 45nm로 펜린과 같다. 이후 인텔은 45nm 네할렘 마이크로아키텍처를 개선한 32nm 공정 Westmere 프로세서와 32nm 공정에 새로운 아키텍처가 적용될 Sandy Bridge 프로세서들도 준비중이다.
[인텔 네할렘 마이크로아키텍처 특징]
오늘 살펴볼 아키텍처는 바로 45nm 공정의 펜린을 잇는 새로운 아키텍처인 네할렘 마이크로아키텍처다. 네할렘 마이크로아키텍처는 기존 코어2 시리즈에 적용되었던 코어 마이크로아키텍처와 크게 달라졌는데 대표적인 부분을 살펴보면, 네이티브 쿼드코어, 하이퍼스레딩 기술, 터보모드, 3채널 DDR3 메모리 컨트롤러 CPU 코어에 내장, FSB를 대체하는 QPI 인터페이스의 제공, 2세대 가상화 기술 등을 기존과 달라진 큰 특징으로 볼 수 있다.
네이티브 쿼드코어
네할렘 마이크로아키텍처의 큰 특징 중 하나는 네이티브 방식을 적용한 것이다. 이전 코어2 쿼드 CPU들은 듀얼코어 2개를 MCM (Multi-Chip Module) 방식을 적용해 쿼드코어를 구성했다. 경쟁사인 AMD는 페넘 시리즈부터 Monolithic 방식 (하나의 다이에 4개의
코어를 집적) 즉, 네이티브 구성으로 쿼드코어를 구성해오고 있어 시기적으로는 늦었으나 네할렘 마이크로아키텍처의 코어 i7 블룸필드부터 본격적으로 적용하기 시작했다.
네이티브 방식의 장점은 코어들 간에 직접 데이터를 교환하여 지연시간의 감소 및 이를 통한 데이처 처리 성능 향상이 가능하며, 멀티 칩 방식은 시스템 버스를 통해 두 개의 코어가 데이터를 주고받아 네이티브 방식보다 지연시간 등에서 불리하다. 대신, 멀티칩 방식은 개발 비용과 생산 수율이 높다는 유리한점도 있다.
코어 i7 블룸필드는 270mm2의 크기로 코어 마이크로아키텍처가
적용된 214mm2의 크기를 가진 45nm 공정의 요크필드 (Yorkfield)보다
약 20% 가량 크기가 더 커진 것으로 알려지고 있으며, 네할렘 아키텍처는 코어 2개부터 최대 8개까지 구성이 가능한 것으로 알려지고 있다.
DDR3 메모리 컨트롤러 내장
인텔은 네할렘 마이크로아키텍처를 적용하면서부터 경쟁사인 AMD처럼 메모리 컨트롤러를 내장한다. AMD 페넘/ 페넘2 CPU 등이 듀얼 채널 메모리 컨트롤러와
Ganged (128bit x 1)와 Unganged 모드 (64bit x 2)의 2가지의 메모리 모드를 제공하는 것과 달리 인텔은 3채널 (코어 i7 블룸필드)/ 2채널 (코어 i7/ i5 린필드, 코어 i5/ i3/ 펜티엄 브랜드 클락데일) DDR3 메모리 컨트롤러를 CPU에 내장하고 있다.
3채널 구성에서 DDR3-800의 대역폭은 (800MHz
x 192bit/ 8 (byte로 계산위해 8로 나눔)) = 19.2GB/s로 계산되고 코어2의
듀얼 채널 DDR3-800의 대역폭은 (800MHz x 128bit/ 8) = 12.8GB/s로
계산된다.
메모리 컨트롤러를 CPU에 내장함으로써 CPU와 메모리 간의 데이터 교환 지연시간 개선, 더 높은 대역폭 확보, 빠른 반응성 등의 장점을 통해 시스템 성능을 개선할 수 있게 되었다.
FSB (Front Side Bus)를 대체하는 QPI (QuickPath Interconnect)
[CPU와 IOH
간은 QPI (QuickPath Interconnect)로 연결]
인텔은 전통적으로 FSB (Front
Side Bus)를 사용해왔으나 네할렘 마이크로아키텍처로 넘어오면서 AMD의 하이퍼트랜스포트 (Hyper-Transport)에 견줄 수 있는 새로운 QPI (QuickPath Interconnect)를 적용하는데 이를 통해 FSB보다 높은 대역폭 확보 및 고속, 고효율 등의 장점을 갖게 된다.
QPI는 CPU와 CPU, CPU와 I/O Hub 간에 20 Lane으로 연결되고 대역폭은 각 방향 링크 당12.8GB/s의
대역폭을 제공하여 싱글 QPI 링크는 25.6GB/s (양방향 51.2GB/s)의 대역폭을 확보할 수 있다. 이는 AMD의 하이퍼트랜스포트 3.1 규격의 대역폭과 같으며, 인텔 CPU는 FSB 1600MHz 적용시 12.8GB/s (실클럭 400
x 4 (Quad-Pumped Bus) x 64bit / 8 (byte로 변환 위해 8 곱함) = 12.8GB/s)의 대역폭을 제공하므로 이보다 배에 이르는 대역폭을 제공한다. 추후 QPI는 AMD가 사용하는 하이퍼트랜스포트처럼 대역폭을 늘려나갈 것으로 알려지고 있다.
QPI는 또 대역폭 확보 및 대기시간 감소, CRC 핀 내장으로 오류 확인 및 전체 패킷 크기를 줄여 데이터 전송의 효율을 높이고 있다. 인텔 QPI는 방향 당 20bit 점대점 링크 (8/10bit
표준 인코딩에 의해 4bit는 클럭 신호와 에러 정정 신호 포함), 데이터
폭은 16bit (2byte)로 총 핀수는 84개로 차동 신호를 제공하며, 전송속도는 코어
i7 920/ 940/ 950이 4.8GT/s, 965/ 975 Extreme Edition이 6.4GT/s를
제공한다.
인텔은 QPI 채택으로 CPU와 칩셋 간의 대역폭을 충분히 확보할 수 있게 되었고 DDR3 메모리 컨트롤러를 CPU에 내장하여 대역폭이나 지연시간 단축 등을 통해 성능 향상을 꾀할 수 있게 되었다.
네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 메모리 컨트롤러가 CPU 내에 포함됨에 따라 MCH 역할을 하는 노스브릿지의 역할이 사라지면서 I/O와 PCI-Express Lane의 기능을 주로 담당하여 IOH (I/O Hub)라는 새로운 이름으로 불리고 있다. 코어 i7 블룸필드와 조합되는 X58 칩셋의 경우 P45 등과 조합된 ICH10 시리즈 사우스브릿지가 조합된다. X58과 블룸필드 간에는 QPI를 통해 연결된다. 린필드는 DMI 인터페이스를 적용한 PCH (Platform Controller Hub)로 불리는 P55 칩셋 (P5 시리즈, P55/ H55/ H57 등)과 조합된다.
SMT 기술의 일종인 하이퍼스레딩 (Hyper-Threading) 부활
인텔은 네할렘 마이크로아키텍처를 적용하면서 펜티엄 4 노스우드 데스크탑 프로세서에 적용했던 하이퍼스레딩 (Hyper-Threading) 기술을 다시 도입했다. 하이퍼스레딩은 멀티태스킹 환경 (한 번에 두 가지 이상의 작업을 처리)에서 유리하며, 두 개의 작업이 주어질 경우 이를 한 번에 처리할 수 있도록 하여 하여 작업 시간을 단축시킬 수 있다.
네할렘 기반 CPU의 하이퍼스레딩은 물리코어 하나에 논리 코어 하나가 추가 (네할렘 기반 CPU는 2-Way SMT 적용)되어 쿼드코어의 경우 총 8개의 스레드를 제공한다.
하이퍼스레딩 기술은 SMT (Simultaneous Multi-Threading) 기술의 일종으로 물리코어 (실제 코어증가)를 늘리는 것이 아니라 논리코어 (실제 코어는 그대로)를 증가하여 성능을 높이는 방법이다. 이 방법은 코어의 크기가 4-5% 커지는 대신 일부 어플리케이션에서는 최대 40%에 이르는 성능 향상도 가능하다고 밝히고 있다.
하지만, 하이퍼스레딩이 모든 작업에서 항상 높은 성능을 내주는 것은 아니며, 일부 어플리케이션에서는 성능 저하가 발생될 수도 있고 이를 지원하는 운영체제도 필요하다.
향상된 캐쉬 시스템과 SSE4.2 명령어 추가
네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 이전 코어2 시리즈 CPU가 제공하지 않던 L3 8MB 공유캐쉬를 제공한다. 반면, L2 캐쉬는 코어 당 256KB를 제공하여 이전 시리즈가 대용량 L2 캐쉬를 제공하여 공유하는 방법과는 약간 달라졌다.
L1 캐쉬는 코어2 CPU의
코어 마이크로아키텍처와 같이 32KB의 명령 캐쉬와 32KB 데이터
캐쉬로 같은 용량을 제공한다. 또, 물리적인 메모리 어드레스를 캐싱하는데 사용하는 TLB는 2레벨 계층의 TLB로 코어2 시리즈보다 향상되었고 L2 캐쉬 용량은 줄었으나 낮은 레이턴시 등을 이를 보완하고 있다. L3 캐쉬는 주로 서버용 프로세서들에 도입되었는데 경쟁사의 페넘 시리즈와 같이 L3 캐쉬를 채용하여 CPU와 메모리 사이의 데이터들을 절충하여 처리 속도를 높일 수 있게 된다.
캐쉬 향상과 더불어 명령 페치와 명령 프리 디코드,
명령 디코딩 등의 새로운 설계를 통해 네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 64비트에 보다 최적화된
아키텍처를 구성하고 있다. 또한, 전통적인 분기예측 구조에서 코어2가
Loop Stream Detector (LSD)에 18개의 명령어를 내장하여 분기예측을
빠르게 처리하도록 구성된 것과 달리 28개의 micro-ops 캐쉬를 내장하여
코어2 대비 더 많은 명령어들을 처리할 수 있게 되었다.
네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 코어2 시리즈에 추가된 SSE4.1을 비롯하여 새로운 SSE4.2 명령어를 제공하고 있다. SSE4.2에는 ATA (Applicatioin
Targeted Accelerator) 명령어와 STTNI 명령어의 2가지가 추가된다.
ATA에는 Cyclic Redundancy Check 값을 확인하는 CRC32, 대규모 데이터를
찾고 네트웍 스토리지 접근 향상과 전력 효율 개선을 위한 POPCNT, 빠른
XML 해석 등의 가속을 위한 STTNI 스트리밍 명령어를 제공하여 문자와
텍스트 프로세싱 부분의 성능 향상을 가능하게 해준다.
효율적인 전원관리와 터보모드 (Turbo Mode) 지원
네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 기존 코어2 CPU들보다 더 효율적인 전원관리가 가능해졌다. 특히, 파워 게이트로 불리는 기술을 통해 누수 전력을 줄이고 코어별 독립적인 전력관리도 가능해졌다. 동적 전원관리 기능을 통해 실시간으로 각 코어의 전압과 클럭, 온도 등을 파악하고 이를 통해 CPU의 전력 낭비를 막아준다. 이런 전력관리 기술들으 코어와 메모리 컨트롤러의 전력과 클럭 조절이 가능한 AMD 페넘/ 페넘2 시리즈 등과 유사한 부분이다.
파워 게이트 (Power
Gate)는 누설전류로 인한 불필요한 전력 낭비를 줄여주는 기술로 스위칭 방식으로 누수 전력을 최소화하고 대기 (IDLE) 상황에서 코어들마다 소비전력을 0에 가깝게 만들어 독립적인 전원 관리가 가능해진다.
터보모드 (Turbo Mode)는 모바일 펜린에서 시작된 기술로 코어별 PLL 제공을 통해 코어를 개별 관리하고 사용하지 않는 코어를 차단하는 등의 기술을 제공하는 동적 전원관리 기술과 파워 게이트와 연관되고 있다.
터보모드는 싱글 스레드 어플리케이션이 실행될 경우 나머지 코어들이 대기상태 (IDLE)가 되고 TDP가 더 낮아지게 되는 데 착안한 기술로 싱글 스레드 어플리케이션 실행시 코어 하나만 필요하면 파워 게이트 기술을 통해 나머지 코어들을 끄고 하나의 코어 클럭을 일정 수준으로 높여 성능을 증가시키는 기술이다.
네할렘 마이크로아키텍처 CPU는 이전의 터보모드를 개선하였고 모든
코어가 대기상태 (IDLE)일 때와 일부 코어가 대기 상태, 또는 모든 코어가
완전히 활성화되어 있지 않을 때도 사용이 가능해졌다.
네할렘 기반 CPU들은 일정하게
정해진 클럭에서 터보모드가 활성화되고 동적 전원 관리를 담당하는
PCU는 TDP를 초과하지 않는 범위 내에서 클럭을 향상시키도록 만들어준다.
TDP 레벨이 충분히 낮아지거나 코어가 대기 상태에 있으면, 터보모드는
클럭을 자동으로 증가시켜 실행 성능을 향상시키게 된다. 터모보드는
사용자가 원하지 않을 경우 켜고 끌 수 있도록 메인보드의 바이오스 옵션에 제공되고 있다.
2세대 가상화 기술 지원
네할렘 마이크로아키텍처 CPU들은 인텔의 2세대 가상화 기술 (Virtualization 2.0)을 지원한다. 가상화 기술을 서버나 워크스테이션에 주로 사용되는 기술로 리소스를 분리하거나 합하는 등의 작업과 시스템 확장 또는 축소 운영할 수 있다.
마이크로소프트의 새로운 운영체제인 윈도우 7에서도 윈도우 XP 호환을 위한 XP모드가 등장하여 하드웨어 기반 가상화 기술을 지원하는 CPU가 필요해졌다. 가상화 기술의 지원 강화는 가상화 기술 환경 운영에 장점을 작용될 수 있으며, 일반 PC 환경에서도 중요성이 커지는 만큼 가상화 기술 지원 강화는 이를 뒷받침해줄 수 있다.
네할렘 마이크로아키텍에 대한 더 자세한 내용은 인텔 차세대 프로세서 코어 i7 기사를 참조하도록 하자.
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