새로운 아키텍처로 돌아온 Phenom, 변화된 모습을 살펴보자! Page 3:: 보드나라

3. Phenom 프로세서는 어떻게 달라졌나?

앞서는 AMD의 CPU, 그래픽 카드, 메인보드 플랫폼을 통합한 Spider Platform을 살펴보았는데 그럼 본격적으로 새로운 마이크로 아키텍처인 K10을 적용한 AMD Phenom CPU는 어떤 부분에서 변화가 있는지를 살펴보도록 하자.

2년의 주기로 새로운 아키텍처를 내놓는 AMD!

[2년 마다 새로운 아키텍처가 적용된 프로세서들을 내놓는 AMD!]

AMD와 경쟁 관계에 있는 인텔은 2년을 주기로 새로운 공정과 아키텍처를 적용하는 전략인 Tick-Tock 전략을 가지고 있는 인텔과 마찬가지로 AMD도 2년마다 새로운 공정 적용과 함께 새로운 아키텍처가 적용된 프로세서들을 내놓고 있다.

2005년에는 90nm 공정과 64bit 지원, 그리고 K8 아키텍처를 적용한 네이티브 듀얼 코어를 내놓아 경쟁사를 제치고 높은 성능과 함께 AMD를 알리는 계기를 마련했다. 뒤이어 2006년에는 K8 아키텍처를 적용한 90nm 공정의 DDR2 메모리를 지원하는 AM2 프로세서를 내놓았다. 이렇게 이어지다 2007년 드디어 65nm 공정의 네이티브 쿼드 코어인 Phenom 프로세서를 내놓는다. 물론, 듀얼 코어는 경쟁사보다 빠르게 내놓았지만, 쿼드 코어는 오히려 경쟁사보다 뒤늦게 시장에 내놓는 셈이다.

이제 2008년에는 45nm 공정의 Phenom 프로세서들을 내놓고 2009년이 되면 CPU와 GPU가 통합된 45nm 공정의 Fusion 프로세서가 등장하게 된다.

이렇듯 시기 상으로 보면 AMD 역시 경쟁사인 인텔과 마찬가지로 2년의 주기를 잘 지켜 내놓고 있는 것이므로 이번 Phenom의 2007년 등장은 거스를 수 없는 상황이었고 쿼드 코어 시장에서 다시 새로운 아키텍처를 통해 인텔과 경쟁하게 된다.

그러면, 이제부터 AMD Phenom 프로세서는 경쟁사의 프로세서와 비교하여 어떤 부분에서 차이가 있는지를 함께 살펴보도록 하자.

네이티브 쿼드 코어가 적용된 Phenom 프로세서

[네이티브 방식과 멀티 칩 방식의 쿼드 코어]

쿼드 코어 기술을 적용하는 방식은 AMD와 인텔이 서로 다르다.

인텔은 처음 듀얼 코어를 적용할 때 멀티 칩 즉, 플립상에 2개의 코어를 패킹하는 형태, 그리고 두 코어 사이에 직접적인 송수신을 하지 못하고 FSB를 공유하여 데이터를 교환하는 방식을 사용하였으며, 후에 나온 Core2 CPU들에서는 AMD처럼 Monolithic 방식 (하나의 다이에 4개의 코어를 집적)을 사용하여 코어 사이에 직접적인 송수신이 가능하고 데이터 교환이 빠르게 이루어져 성능을 높일 수 있게 된다. 멀티 칩 방식은 코어를 개별로 만들어 합하는 방식이기 때문에 개발 비용이 적고 생산 수율이 높은 반면, Monolithic 방식은 새로운 설계에 따른 개발 비용 증가와 하나의 다이에 여러 개의 코어를 만들어야 하므로 초기 생산 수율이 높지 않다.

인텔은 65nm Kentsfield와 45nm Yorkfield의 쿼드 코어에도 Smithfield와 Presler에 적용하였던 멀티 코어 방식을 적용함으로써 최초의 쿼드 코어라는 타이틀과 함께 빠르게 시장에 쿼드 코어 제품들을 내놓을 수 있었다. 생산 수율 또한 최근 공정의 개선 등을 통해 안정화가 이루어져 많은 제품들을 공급하고 있다. 인텔의 경우 메모리 컨트롤러 내장과 Monolithic 방식을 적용하는 새로운 프로세서인 Nehalem을 내놓을 예정이다.

반면, AMD는 듀얼 코어 방식과 마찬가지로 쿼드 코어에도 Monolithic 방식 즉, 하나의 반도체 실리콘 다이에 4개의 코어를 집적한 네이티브 쿼드 코어를 적용하고 있다. 메모리 컨트롤러 역시 프로세서에 내장된다. 이러한 결과 AMD의 쿼드 코어는 새로운 아키텍처의 적용과 65nm 공정을 적용하여 등장 시기도 늦어졌고 초기 생산 수율이 높지 않아 현재 인텔처럼 높은 클럭을 가진 쿼드 코어 프로세서를 내놓지 못하고 있는 실정이다. 이런 부분은 앞으로 65nm 공정의 안정화가 이루어지고 45nm 공정이 적용되면 개선될 것으로 보여지나 현재로서는 경쟁사보다 대량 생산 부분 등에서 불리하기 때문에 가격적인 우위를 점하기는 쉽지 않을 것으로 보여지고 있다.

멀티 코어 구성 방식 등에 대해 궁금한 내용은 굳히기 한판? Intel 쿼드코어 Core 2 Extreme QX6700 기사를 참조하자.

AMD Phenom 프로세서는 기존과 어떻게 달라졌나?

AMD Phenom 프로세서는 앞서 언급하였듯이 최초로 네이티브 쿼드 코어를 적용한 프로세서로 기존의 K8 아키텍처와 달리 새로운 K10 아키텍처를 적용하고 있다. 새로운 아키텍처가 적용됨으로써 기존 프로세서와는 여러 부분에서 달라지게 되는데 대표적인 것이 기존의 프로세서에서 제공되지 않던 L3 공유 캐쉬의 적용이다. 이 L3 캐쉬를 제공함으로써 명령어의 대기 시간을 줄이고 빠른 처리 능력을 얻을 수 있게 된다.

또, 빠른 성능을 위해 기존의 프로세서들이 HyperTransport 1.1을 지원하였던 것과 달리 HyperTransport 3.0을 지원함으로써 시스템의 대역폭을 높여 더 높은 성능을 얻을 수 있게 된다. 덧붙여 DDR2-800 지원을 넘어서 DDR2-1066을 지원하여 더 많은 대역폭 확보를 통해 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 물론, 이전처럼 듀얼 채널 메모리 컨트롤러가 CPU에 내장되어 데이터 교환에 따른 지연시간 부분에서 경쟁사보다 여전히 유리하다.

또한, 에너지 효율 부분에서도 65nm 제조 공정과 함께 기존의 Cool'n'Quiet 2.0 기술을 적용함으로써 더 효율적으로 전원을 관리하여 소비저력 부분에서도 유리해졌다. 2007년 11월 19일 출시될 2종의 Phenom 9500 (2.2GHz)과 9600 (2.3GHz)은 95W TDP를 12월 출시될 것으로 알려진 9700 (2.4GHz)의 경우 125W TDP를 가져 경쟁사인 인텔의 130W TDP보다 적은 것으로 알려지고 있다. 하지만, 인텔은 3.0GHz 클럭에 130W TDP를 가지므로 더 낮은 클럭을 가진 Phenom 프로세서들의 소비전력이 그리 낮다고만 볼 수는 없다.

새로운 아키텍처 적용에 따른 향상 부분

[듀얼 코어 대비 32%에 이르는 성능 향상을 가져온 Phenom 프로세서]

Phenom은 앞서도 언급하였지만, 기존의 K8 아키텍처에서 새로운 K10 아키텍처를 적용하게 된다. 새로운 아키텍처에서는 기존의 아키텍처에서 부족하였던 부분을 보완하기 위해 다양한 변화를 주게 된다. 이의 적용에 따라 AMD에서는 듀얼 코어 대비 최대 32%의 성능 향상이 이루어졌다고 밝히고 있다.

네이티브 쿼드 코어의 적용에 따라 이전의 듀얼 코어에서처럼 코어들 간의 직접적인 송수신이 가능하기 때문에 경쟁사의 멀티 칩 방식보다 유리하다.

메모리 컨트롤러 내장과 L3 공유 캐쉬 제공

메모리 부분에서는 이전처럼 메모리 컨트롤러를 내장하게 되며, 45nm 공정 프로세서의 경우 DDR3 메모리도 지원 예정에 있다. 또한, 물리 주소 공간을 48bits로 향상하여 최대 256TB 용량의 메모리를 지원할 수 있도록 만들었다. 그리고 DDR2-1066을 지원함에 따라 더 높은 대역폭 확보로 성능을 높일 수 있게 된다.

일반적으로 메모리 컨트롤러를 내장하면 레이턴시를 줄여 성능을 높여주지만, 특정 메모리 호환성 부분이나 다이사이즈 크기를 늘리기도 하는 문제도 동시에 있다. K10 아키텍처는 기존 K8 아키텍처와 같지만, 이전보다 향상된 부분도 있다. 그것은 상황에 따라 하나의 128bit 채널 구성도 가능하고 두 개의 독립된 64bit 채널도 가능하게 된 것이다. 이를 통해 프로세서 코어들은 동시에 메모리를 더 효율적으로 사용할 수 있게 되었다.

또, 메모리 컨트롤러의 스케쥴링과 재정리 알고리즘을 최적화하여 읽기와 쓰기 요청 과정에서의 상당한 성능 향상을 얻을 수 있게 된다. 그리고 메모리 컨트롤러는 순차적인 요청을 분석하고 명령어를 즉시 가져와 실행하여 성능 향상을 꾀한다.

내부 메모리 시스템 부분에서 K10의 LSU (Load/Store Unit, 모든 읽기와 저장 작업은 LSU로 보내진다.)는 K8에서와 달리 읽기 동작과 저장 동작이 분리되고 128bit 저장 작업이 2개의 64bit 하나로 이루어져 빠른 처리가 가능해진다.

K10에서는 L1캐쉬가 K8에서와 마찬가지로 64KB의 크기와 2-Way 64byte 길이를 가지는 대신 읽기 버스 폭을 증가시켰다. 이는 매 클럭 당 2개의 128bit 읽기를 진행할 수 있고 로컬 메모리로부터 SSE 데이터 프로세싱의 효율을 높일 수 있도록 만들어준다.

K10의 L2 캐쉬는 이전의 K8처럼 코어 당 512KB와 16-Way Associativity를 갖는다. 대신, K8이 데이터를 주고 받을 때 64bit (8byte)폭을 갖는데 K10은 이의 두 배인 128bit 폭을 갖고 이를 통해 두 개 또는 그 이상의 라인에서 동시에 요청이 이루어질 때 캐쉬 액세스 레이턴시를 현저하게 줄일 수 있게 된다.

여기에 새로운 L3 공유 캐쉬를 제공하여 DRAM을 참조하지 않고 L3 공유 캐쉬를 통해 코어들이 정보를 공유하므로 빠른 데이터 공유와 멀티 태스킹과 멀티 쓰레드 작업에서의 성능을 향상시킨다. K10의 L3 캐쉬는 2MB를 제공하고 32-Way Associativity를 갖는다. L3 공유 캐쉬는 코어들의 데이터를 L2 캐쉬로 부터 공유하고 저장하게 된다. 또, L3 공유 캐쉬는 L2 캐쉬보다 높은 레이턴시를 가지며, 로드에 따라 레이턴시가 적용된다. 부하가 적으면 레이턴시는 증가하고 부하가 늘면 대역폭이 증가된다.

또, TLB (Translation-lookaside buffers, 이 버퍼는 페이지로부터 가상과 물리 페이지 주소 사이를 연결하여 저장하는 역할을 한다.) K10은 K8과 비교하여 더 많은 TLB를 제공하게 된다.

HyperTransport 3.0으로 더 높은 대역폭 확보

[HyperTransport 3.0 적용에 따라 더 높은 대역폭 확보로 성능 향상!]

Phenom 프로세서는 HyperTransport 3.0 (HT 3.0)을 지원하게 됨에 따라 이전의 HT 1.0과 2.0이 제공하던 6.4와 8.0GB/s의 대역폭을 넘어 최대 20.8GB/s의 대역폭을 확보할 수 있게 된다. AMD는 이를 적용하여 최대 16GB/s의 대역폭을 확보할 수 있다고 밝히고 있으며, Phenom 프로세서들은 최대 14.4에서 16.0GB/s의 대역폭을 얻을 수 있도록 3.6GHz의 HT 동작 클럭을 갖게 된다. 이렇게 HT 3.0 지원에 따라 대역폭을 확보하게 되면, CrossFire 그래픽 카드를 통한 CrossFire 구성 등에서 더 높은 성능을 얻을 수 있게 된다. 물론, 이전의 HT 1.0과 2.0 과는 하위 호환성을 가지므로 이전 칩셋 등의 조합으로 인한 문제는 적다.

128bit Floating Point Unit

또, Phenom 프로세서는 128bit Floating Point Unit을 제공하여 보안, 엔터테인먼트, 게이밍, 모델링과 시뮬레이션 어플리케이션들에서의 부동 소수점 연산을 더 빨리 해줄 수 있게 된다.

Phenom 프로세서는 K8 프로세서들과 같이 정수 연산 유닛 (Integer Unit)과 부동 소수점 유닛 (Floating Point Unit, FPU)이 분리되어 있다. K10 (Phenom)은 80bit Floating Point Unit을 가지고 있는 K8보다 더 많은 128bit Floating Point Unit을 제공하고 있으며, vector SSE 명령어 프로세싱 속도가 K8보다 이론상 2배의 속도를 제공하게 된다. 다만, Core2와 다르게 부동 소수점과 정수 스케쥴러가 분리되어 사용되나 분리된 큐를 같은 포트로 실행하여 사용하면 충돌이 발생할 수 있다. 또, K10에서도 FSTORE 유닛을 SSE 명령을 위해 공유하고 일부 데이터 전송 명령을 가져 프로세싱 속도에 영향을 받을 수 있다. K10은 Core2보다 더 향상되고 효율적인 부동 소수점 연산 성능을 제공할 것으로 알려지고 있다.

정수 연산 부분 역시 K10 프로세서들은 K8처럼 3개의 균형잡힌 정수 파이프를 가지고 있다. K10은 K8에서 발생하는 병목현상이 더 이상 발생하지 않도록 해주며, 정수 분할 알고리즘을 최적화 해주고 있다.

향상된 분기 예측 (Branch Prediction) 및 명령어 불러오기, Prefetch

분기 예측 향상을 통해 비주얼 베이직, C++, JAVA 어플리케이션들에서의 높은 성능 향상을 얻을 수 있다. (고레벨 객체 지향형 코드에서 더 빨라진다.) 또, 8bit에서 12bit로 증가된 전역 기록 레지스터와 12에서 24 포지션으로 늘어난 반환 주소 스택의 증가를 통해 성능을 향상시킨다. 그러나, K10의 분기 예측 유닛은 효율이 높지만, 일부의 경우 인텔 프로세서들보다 늦어지는 경우도 발생할 수 있다.

그 외 명령어를 불러오는 부분에서 K10은 K8과 Core2가 L1 캐쉬에 정렬된 16byte 블럭을 불러오는 것과 비교하여 32byte 블럭을 불러올 수 있게 되었다. 하지만, 클럭 당 3개의 명령어를 디코드하는 것은 어렵다. Prefetch 부분 역시 K10에서 개선되었다. 그러나, Core2 Prefetch가 더 높은 잠재 능력을 가지고 있어 Prefetch 과정에서 대부분의 경우 인텔 프로세서들이 우세를 보인다.

새로운 명령어 및 가상화

K10 프로세서에는 몇 가지 새로운 명령어가 포함되고 있다. bit 동작 확장을 위한 범용 목적 레지터스터 (LZCNT, Count Leading Zeros, POPCNT, Bit Propulation Count), SSE4a 명령어 (EXTRQ : 추출 64bit SSE 레지스터, INSERTQ : 입력 64bit SSE 레지스터, MOVNTSS, MOVNTSD : 스칼라 부동 소수점 값 스트리밍 저장 (캐쉬 메모리를 포함하지 않는다.))를 제공한다. 이 SSE4a 명령어는 인텔의 SSE4.1 명령어와는 다르다.

또한, 가상화 부분에서도 싱글 PC 시스템에서 이전보다 향상된 가상화 기술을 제공한다. Nested Paging의 사용을 통해 시스템의 가상화 능력을 증대시키고 있다. Nested Paging을 사용할 경우 Shadow Paging 모드를 사용하였을 때보다 40%에 이르는 성능 향상을 보이고 있다고 알려지고 있다.

향상된 전력 관리 기술 Cool'n'Quiet 2.0 지원

K10 아키텍처가 적용된 Phenom 프로세서들은 전력 및 클럭 관리 시스템을 제공한다. 또 K8에서 지원하던 Cool'n'Quiet 1.0에 이어 Cool'n' Quiet 2.0을 지원하고 있다. 각 코어들은 서로 독립적으로 동작이 가능하며, 각 코어들의 클럭은 동적인 변화는 각 코어의 로드에 따라 달라진다. 하지만, L3 공유 캐쉬의 성능이 어떻게 별할지는 판던이 어렵다. 코어 전압은 모든 코어들이 동일하며, 코어의 최대 작업에 따라 결정된다. 메모리 컨트롤러 관리는 전압이 독립적으로 코어들에 적용되며, 낮은 로드의 경우 전압은 더 낮아진다.

AMD CoolCore 기술은 프로세서에서 사용하지 않는 부분의 전력 공급을 차단하는 기술이며, 독립 다이내믹 코어 기술 (independent Dynamic Core Technology)은 AMD PowerNow! 기술을 발전 시킨 것으로 CPU 사용량에 따라 각 코어의 클럭을 조정하여 필요한 만큼의 성능을 제공하는 기술이다. 어플리케이션에 따라 특정 성능치에 맞춰 각 코어별 클럭 속도를 다양화 및 시스템이 최적의 성능과 전력 수준으로 구동된다. 듀얼 다이내믹 전력 관리 (Dual Dynamic Power Management, DDPM)는 코어와 메모리 컨트롤러에 독립된 전력 공급이 가능하도록 하고 코어와 메모리 컨트롤러가 사용 용도에 따라 다른 소비전력량을 운영할 수 있게 해주는 기술이다.

Phenom 프로세서가 경쟁사와 다른 5가지 차이점

Phenom 프로세서는 경쟁사의 CPU와 비교하여 몇 가지 부분에서 차이를 보이고 있는데 먼저, 앞서 소개한 것과 같이 경쟁사가 여전히 멀티 칩 방식으로 쿼드 코어를 구성하고 있는 것과는 달리 네이티브 쿼드 코어를 구성하는 차이를 보인다. 다만, 하나의 다이에 4개의 코어를 만들어야 하기 때문에 생산 수율이 낮은 상태다.

또, 메모리 컨트롤러를 내장하고 있어 데이터 이동간의 지연시간을 단축하고 빠른 반응성 등의 장점을 갖게 된다. 경쟁사는 여전히 노스브릿지에 메모리 컨트롤러가 내장되어 있고 다음 세대의 아키텍처가 적용된 Nehalem에 메모리 컨트롤러를 내장하게 된다. 이는 결국 AMD의 방식이 옳았다는 것을 말해준다.

L3 공유 캐쉬를 제공한다. 기존의 데스크탑 프로세서들 같은 경우 L2 캐쉬만 제공하고 있는데 L3 공유 캐쉬를 제공함으로써 DRAM을 통하지 않고 L3 공유 캐쉬를 이용하여 코어들이 정보를 공유하여 빠른 액세스를 통한 성능 향상을 기대할 수 있다. 경쟁사 제품들은 여전히 L2 캐쉬만 제공한다.

HyperTransport 3.0을 지원하여 기존의 K8 프로세서보다 높은 대역폭 확보를 통해 CPU와 그래픽 카드 등의 다양한 장치들의 성능 향상을 얻을 수 있게 된다. 경쟁사는 여전히 FSB를 높이는 방식을 사용하지만, 이를 높이는 데는 한계가 있다.

코어들은 모두 크로스바 스위치를 통해 모두 공유되어 코어들 간에 직접송수신을 빠르게 진행할 수 있고 각종 장치들과도 빠른 송수신이 가능해진다. 경쟁사는 코어들 간의 직접송수신이 어렵고 여전히 비좁은 FSB를 통해 송수신하여 이것이 성능 저하의 원인을 제공한다.

프로세서 및 이전 메인보드와의 호환성 유지

[AM2 CPU는 AM2+ 소켓에 사용 가능, AM2+ CPU는 AM2 소켓에 사용 가능]

[AM3 CPU는 AM2 소켓 및 AM2+ 소켓, AM3 소켓에 모두 사용 가능]

[Direct Connect Architecture를 통해 하위 호환성 유지]

Phenom 프로세서의 장점 중의 하나는 바로 하위 호환성을 유지하고 있는 것이다. 하위 호환성이 가능한 것은 AMD의 Direct Connect Architecture를 프로세서들에 적용하고 있기 때문으로 AM2 CPU는 AM2+ 소켓에 사용 가능하며, AM2+ CPU는 AM2/ AM2+ 소켓 모두에 사용 가능하다. 그리고 앞으로 나올 AM3 CPU 역시 AM2/ AM2+/ AM3 소켓에 모두 사용이 가능하여 메인보드 바이오스에서 이들 프로세서를 인식하게 해주면 계속해서 사용할 수 있는 장점이 있다. 이렇게 소켓이 호환되면 업그레이드 관점에서 상당히 유리하다.

AMD Phenom 등장과 함께 나뉠 라인업 및 가격

이번 2007년 11월 19일에는 Phenom 프로세서들 중 2.2GHz의 클럭이 적용된 프로세서인 AMD Pehnom 9500과 2.3GHz가 적용된 Phenom 9600의 두 가지 프로세서가 등장할 예정이다.

분류	AMD 프로세서 구분
하이엔드	AMD Phenom FX-80 시리즈 프로세서 (Quad-Core)
하이엔드	AMD Phenom 9000 시리즈 프로세서 (Quad-Core)
메인스트림	AMD Phenom 8000 시리즈 프로세서 (Triple-Core)
메인스트림	Athlon x000 시리즈 프로세서 (Dual-Core)
밸류	AMD Athlon 1000 시리즈/ Sempron LE-1300 시리즈 프로세서

이에 따라 새로운 프로세서 라인업을 구성하게 되는데 하이엔드에는 Phenom FX-80 시리즈와 Phenom 9000 시리즈 쿼드 코어 프로세서들이, 메인스트림에는 트리플 코어인 Phenom 8000 시리즈 및 듀얼 코어 프로세서인 x000 프로세서들이, 보급형에는 싱글 코어인 Athlon 1000과 Sempron LE-1300 시리즈들이 자리를 하게 된다.