2. 5번째 코어로 성능과 전력을 동시에 잡는 테그라 3
엔비디아 테그라 3는 세계 최초의 "5번째 저전력용 컴패니언 코어를 가진" 모바일 쿼드코어 프로세서'라는 타이틀을 달고 있다.
ARM Cortex-A9 MPCore 아키텍처는 싱글부터 듀얼, 쿼드코어 프로세서까지 모두 만들 수 있지만, 엔비디아 테그라 3는 Cortex-A9 쿼드코어 설계에 추가적으로 5번째 보조 코어를 도입해 쿼드+싱글의 CPU 구조가 된 것이다.
5번째 컴패니언 코어도 다른 4개의 쿼드코어와 같이 Cortex-A9 기반으로 만들어졌기 때문에 테그라 3를 '펜타코어(Penta Core)' 프로세서라고도 부를 수도 있지만, 컴패니언 코어는 클럭도 다르고 쿼드코어와 동작 역시 겹치지 않는 '완벽한 보조 코어'이기 때문에 쿼드코어 프로세서가 맞다.
대기 작업이 많은 스마트 기기에 맞는 저전력 코어 추가
스마트폰은 프로세서 성능이 향상되면서 점점 더 많은 일을 더 빨리 수행할 수 있게 되었다. 예전 같으면 상상도 하지 못했던 스마트폰으로 1080p 동영상을 실시간으로 찍고 이를 편집한다거나, 휴대용 게임기 수준의 3D 게임 플레이, PC 수준의 인터넷 브라우징, 여러 작업을 빠르게 전환하는 멀티태스킹 등이 모바일 AP의 성능 증가에 따라 원활하게 수행되고 있다.
그러나 강력해진 스마트폰과 태블릿의 성능 한편으로는 낮은 프로세서 성능으로도 얼마든지 돌릴 수 있는 대기 상태와 여러 기본적인 작업들이 있다. 그리고 이런 대기 상태 및 기본 작업에 할당되는 시간은 스마트 기기 전체 사용 시간에서 상당한 비중을 차지하고 있다.
40nm HP와 LP 공정에 따른 소비전력 차이
대부분의 모바일 AP 위탁 생산을 하고 있는 TSMC는 같은 제조 공정이라도 고성능 (High Performance, HP)와 저전력 (Low Power, LP)으로 구분된 공정 기술을 적용하고 있다.
40nm 공정에서는 CLN40G HP 공정과 CLN40LP로 불리는 LP 공정, 그리고 SoC 안에서 일부는 G 공정을 쓰고 나머지는 LP 공정을 사용하는 하이브리드 방식의 LPG 공정도 있다.
28nm 공정에서는 HKMG(High-K Metal Gate)를 도입하기 때문에 고성능(HP), 저전력(HPL), 그리고 기존의 SiON 공정을 쓰는 저가격(LP)으로 구분된다. 00
TSMC 공정에 들어간 40nm LP 트랜지스터와 G(HP) 트랜지스터를 전류적으로 보면 저전력 LP 트랜지스터는 저성능에서는 누설전력(Leakage Power)이 낮은 대신 성능이 올라가면 G 트랜지스터보다 전력 소모가 큰 폭으로 증가한다.
반대로 고성능인 G(HP) 트랜지스터는 성능 대비 전력 변화가 LP 트랜지스터보다 적어 고성능 AP를 만들 때 유리하지만, 대기 상태 및 저성능 구간에서는 LP 트랜지스터보다 더 많은 전력 소모가 일어난다.
그래서 현재 모든 회사에서 출시되는 40nm급 모바일 애플리케이션 프로세서(SoC)는 하이브리드로 불리는 LPG 공정을 사용한다. 고성능을 요구하는 CPU의 경우 G 공정을 사용하고, 나머지 CPU 외의 나머지 부분을 LP로 넣는 것이다.
그러나 하이브리드 LPG 공정을 적용하면 한 가지 문제가 발생한다. 바로 저전력으로 동작하는 상황에서 G공정인 CPU의 누설전력이 많아진다는 것이다. 최근 출시된 듀얼코어 스마트폰들이 배터리 용량은 늘어났지만 대기 시간이 기존 제품들보다 짧아진 이유가 이것 때문이다.
LP 보조 코어를 추가해 소비 전력을 개선한 테그라 3
엔비디아가 테그라 3에서 처음 도입한 vSMP (Variable Symmetric Multiprocessing, 가변 대칭형 다중 처리) 기술은 LP 공정으로 만든 저전력 AP를 추가로 탑재해 대기 상태를 비롯한 저전력 LP 프로세스가 필요한 작업에 G 공정의 쿼드코어 대신 동작하도록 한 것이다.
엔비디아 관계자는 이를 'CoD(Computing on Demand)'라고 정의하면서 저전력의 프로세싱만 요구하는 상황에서 고전력의 CPU 프로세서를 쓸 필요가 없고, 누설전력이 작은 저전력 프로세서를 켜야 한다면서 쿼드코어에 이어 5번째 컴패니언 코어가 탑재된 배경을 설명했다.
특히 5번째 컴패니언 코어는 ARM이 만든 것이 아니라 엔비디아의 모바일 비즈니스 유닛의 필 카맥(Phil Carmack) CTO가 만든 순수한 엔비디아의 기술이며 특허 출원 중이라고 설명했다.
40nm G 공정만 사용한 일반 모바일 AP와 달리 LP와 G 공정을 모두 사용한 쿼드 + 보조 싱글 코어 구조의 테그라 3는 저전력에서는 싱글 컴패니언(LP) 코어, 고성능에서 쿼드코어(G)라는 이상적인 전력 대비 성능 그래프가 만들어진다.
ARM의 big.LITTLE 프로세싱의 경우 Cortex-A15와 Cortex-A7이라는 이종의 코어를 연결해 코어간 작업을 전환하거나 동시에 쿼드코어로 사용한다. 순수한 Cortex-A15 쿼드코어보다는 성능이 떨어지지만 듀얼과 쿼드 사이에서 성능-소비전력의 균형을 찾기 위한 방법이다.
엔비디아 테그라 3는 Cortex-A9 기반의 쿼드코어 성능을 그대로 유지하면서 저전력 보조 코어를 추가해 대기 상태와 기본 작업을 수행하도록 디자인했다. 메인 코어와 보조 코어가 모두 Cortex-A9이기 때문에 Context Swiching을 위한 소프트웨어 단계를 거치지 않고 하드웨어 레벨에서 코어 전환이 이뤄질 수 있는 것으로 알려진다.
Cortex-A9 코어와 TSMC 40nm 공정을 이용해야 하는 상황에서 어떻게 하면 고성능 쿼드코어 CPU와 저전력 배터리 시간의 두 마리 토끼를 잡을 수 있는지에 대한 고민의 결과라고 하겠다.
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