스마트 기기의 핵심으로 자리잡은 모바일 프로세서
애플 아이폰 3GS 출시를 계기로 국내 스마트 기기 시장이 본격적으로 성장하기 시작한지도 올해로 3년째. 이제 더 이상 스마트폰이나 태블릿이 없는 일상은 상상하기 어려울 정도로 스마트 기기는 우리나라 사람들의 삶의 방식을 완전히 바꿔놓았다.
IT 시장을 이끄는 대표주자가 전통적인 PC 진영에서 스마트 기기로 넘어가면서 인텔과 AMD로 대표되는 x86 프로세서와 엔비디아-AMD로 양분된 그래픽 칩셋 만큼이나 ARM 계열의 모바일 애플리케이션 프로세서와 모바일 AP용 GPU의 스펙에 대한 사람들의 관심도 높아졌고 제품 구매시 필수적으로 살펴보는 스펙 가운데 하나로 자리잡고 있다.
모바일 프로세서 제조사들, 어떤 관점에서 제품을 만들었나?
스마트 기기를 대상으로 하는 모바일 애플리케이션 프로세서는 뷔페와 똑같다. 한정된 크기의 접시(다이)에 원하는 기능을 담아 하나의 제품으로 만든다.
이 접시는 크기(면적) 뿐만 아니라 발열, 소비 전력, 생산 수율, 양산 시기, 비용 등 매우 다양하고 복잡한 제한이 있기 때문에, 갓 만들어진 맛있고 좋은 요리를 얼마나 잘 골라 담아 빨리 좋은 테이블에 앉는지가 매우 중요하다. 자칫 음식을 담는 동안 다른 손님이 빈 테이블을 다 차지해 앉을 자리가 없어지거나 음식이 식어 맛이 떨어지기 때문이다.
물론 최신 CPU와 GPU 기술을 마음껏 담을 수 있는 기술력과 라이센스, 시장이 요구하는 기능을 전부 집어넣어도 크기와 전력 효율에 문제없는 최신 공정 기술, 그리고 완벽한 수율에 원하는 물량은 언제든지 생산하는 반도체 공장이 있다면 접시에 뭘 담을지 고민할 필요도 없다.
그러나 스마트 기기 시장에 투입되는 모바일 애플리케이션 프로세서 제조사, 그리고 이 시장을 겨냥해 PC 쪽에서 진입을 시도하는 x86 프로세서 제조사들도 이런 완벽한 개발/제조 환경을 가지고 있지 못하다.
각 제조사들은 각자 보유한 자원과 주변환경을 바탕으로 자신들이 원하는 목표에 최대한 근접한 프로세서를 설계하고 있으며, 유저들은 올해 출시된 모바일 프로세서들을 통해 각 제조사가 어떤 목적(혹은 관점)으로 제품을 만들었는지 쉽게 파악할 수 있다.
애플 - 레티나 아이패드 위해 GPU만 개선
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 |
적용 모델 |
| A5X |
45nm
(삼성생산)
|
동일
(듀얼코어)
|
향상
(쿼드코어)
|
별도 구성
|
뉴 아이패드
|
ARM 계열에서 가장 먼저 떠오르는 모바일 AP가 있다면 애플의 A 시리즈일 것이다. 오직 애플 iOS 모바일 기기를 위해서만 만들어지고 사용되기 때문에 다른 SoC처럼 범용성이나 보편성을 추구하지 않고 오직 새로운 아이폰과 아이패드에 맞춰 그 성능과 방향이 결정된다.
(애플 A5와 A5X의 다이 비교 / 출처: chipworks)
올해 선보인 애플 A5X 프로세서는 뉴 아이패드 전용으로 설계된 모바일 AP로 CPU는 기존의 A5와 동일한 1GHz Cortex-A9 듀얼코어를 사용하며 GPU 쪽만 PowerVR SGX543MP4로 업그레이드 했다. 그러나 제조공정을 기존과 같은 45nm로 맞추면서 GPU를 2배로 늘렸기 때문에 다이 전체 면적은 A5보다 더 커졌다.
A5X가 GPU를 쿼드코어로 올린 이유는 뉴 아이패드에 들어간 레티나 디스플레이가 아이패드2 해상도의 4배인 2048x1536을 지원해 GPU의 성능 향상이 요구되었기 때문이다.
반면 CPU 쪽은 Cortex-A9의 다음 세대 아키텍처인 Cortex-A15의 본격적인 양산이 아직 시작되지 못했고, Cortex-A9 쿼드코어는 GPU의 면적이 늘어난 상태에서 수용하기 어려운 부분이었다. 결국 애플은 레티나 디스플레이를 위해 GPU만 늘린 A5X를 만든 것이다.
삼성전자 - 제조설비 바탕으로 다양한 라인업 구축
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
엑시노스
4 쿼드 |
32nm
(삼성생산)
|
향상
(쿼드코어)
|
향상
(클럭증가)
|
별도
|
갤럭시 S3
|
삼성전자는 ARM의 라이센스를 계약해 ARM 모바일 AP를 만드는 수많은 제조사들 가운데 하나다. 그러나 삼성전자의 최대 무기는 모바일 AP를 직접 생산할 공장과 최신 공정 기술을 가지고 있으며, 생산된 제품을 소비할 판매처(애플, 삼성)가 확실히 마련되어 있다는 것이 특징이다.
삼성전자는 지난 해 45nm 공정으로 모바일 AP를 양산했지만 올해는 32nm 공정 양산에 들어갔으며, TSMC 28nm 공정과 비교해 HKMG(High-K Metal Gate) 공정을 사용함으로써 누설 전류 등의 문제에도 충분히 대응하고 있다.
특히 TSMC의 전체 28nm 생산량에는 엔비디아/AMD 그래픽 칩셋용 GPU 주문도 포함되어 있고 모바일 AP도 주문한 업체들에 나눠서 제공하기 때문에 수율과 생산시설 부족으로 안정적인 공급을 받을 수 없다.
하지만 삼성전자는 현재까지는 TSMC 28nm 수율 문제로 TSMC로 넘어가지 못한 애플의 모바일 AP 주문을 계속 받고 있으며, 갤럭시 시리즈에 들어간 엑시노스 제품의 성능이 알려지면서 다른 업체에 모바일 AP를 공급하거나 TSMC 양산 시기를 마냥 기다리지 못하는 다른 업체들의 파운드리 주문을 받을 준비를 하고 있다.
삼성전자 모바일 AP는 갤럭시 S2에 들어간 Cortex-A9 듀얼코어 엑시노스 4210부터 갤럭시 노트에 탑재된 클럭 향상된 엑시노스 4212, 갤럭시 S3에 들어간 Cortex-A9 쿼드코어 엑시노스 4412, 그리고 하반기 고해상도 갤럭시 탭(노트) 및 윈도우 8 RT 태블릿에 들어갈 것으로 보이는 Cortex-A15 기반 엑시노스 5250 등 탄탄한 라인업을 자랑한다.
직접 반도체 생산 시설을 갖지 않는 팹리스(Fabless) 업체들이 위탁생산업체의 제조공정과 양산시기, 수율, 생산량, 단가 등을 고려해 한번에 여러 모바일 AP를 만들지 못하는 것과 달리 삼성전자는 이런 부분이 장애물이 되지 않는다.
현재 삼성전자 모바일 AP의 단점은 자체 LTE 모뎀 사용 및 통합에서 퀄컴보다 느리다는 것이지만, 통신 모뎀의 경우 모바일 AP에 비해 제품 사이클이 더 길어서 일단 업계 인증을 마친 제품이 나오면 그 이후로는 아키텍처-제품종류-제조공정-생산단가(수량)-기능 등에서 약점을 찾기 힘든 탄탄한 라인업을 구축할 것으로 보인다.
엔비디아 - 윈도우 8 RT 태블릿 위해 CPU에 올인
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
| Tegra 3 |
40nm
(TSMC생산)
|
향상
(4PLUS1)
|
향상
(PS증가)
|
별도
|
스마트폰,
태블릿
|
AMD와 쌍벽을 이루며 GPU 기술을 선도하고 있는 엔비디아를 아는 사람이라면 당연히 테그라3가 '지포스'의 막강한 포스를 보여줄 것이라고 생각했겠지만, 엔비디아는 사람들의 생각과 반대로 쿼드코어 CPU에 올인했다. 그것도 40nm 공정에 맞추기 위해 저전력 CPU 코어까지 하나 더 추가하면서.
TSMC 40nm 공정 때도 수율과 안정화 문제로 GPU 로드맵에 큰 차질을 빚은 경험을 했던 엔비디아는 TSMC 28nm 공정도 안정화와 대량 생산에 시일이 걸릴 것으로 보고 안정화된 40nm 공정으로 빠른 신제품 투입을 선택했다. 40nm 공정에 쿼드코어 CPU를 넣으면서 다이 면적이 커졌고 소비 전력이 늘어났다.
재미있는 것은 엔비디아가 쿼드코어 CPU의 소비전력을 해결하기 위해 도입한 저전력 전용 싱글코어 CPU가 전체 면적에서 CPU가 차지하는 비중을 더 늘렸고, 그만큼 GPU가 들어갈 수 있는 공간을 줄여야 하는 결과를 만들었다.
엔비디아는 왜 GPU 파워까지 줄이면서 CPU 성능을 끌어올리려 했을까? 그 이유는 엔비디아가 테그라3 투입으로 바라보는 시장이 단지 안드로이드 태블릿 뿐만 아니라 올해 말에 MS가 내놓은 윈도우 8 RT, 즉 ARM용 윈도우 8 태블릿 시장까지 포함하기 때문이다.
연말 윈도우 8 시장을 겨냥한 제조사들이 하반기부터 윈도우 8 RT용 태블릿 생산에 들어간다고 치면, 일단 선택할 수 있는 ARM 계열 모바일 AP는 삼성 엑시노스와 퀄컴 스냅드래곤 S4, TI OMAP 5, 그리고 엔비디아 테그라3 정도가 있다.
이 가운데 퀄컴 스냅드래곤 S4와 TI OMAP 5 시리즈는 TSMC 28nm 공정 생산량이 발목을 잡을 가능성이 높고, 삼성전자 엑시노스는 자사 제품이 소화하는 물량 외에 얼마나 일반 공급이 가능할지(혹은 해줄지) 미지수다. 따라서 올해 출시되는 첫 번째 윈도우 8 RT 태블릿 상당수는 엔비디아 테그라3가 들어가기 유리한 상황이다.
Cortex-A9 CPU를 쿼드코어로 올리고 장시간 운영 가능한 저전력 전용 CPU를 추가한다면 스마트폰에서는 불리할지 몰라도 전체 크기와 배터리 용량이 충분한 태블릿에서는 나은 결과를 가져올 수 있다. 또한 애플이 뉴 아이패드를 내놓기 전까지 태블릿 기본 해상도는 1280x800이었으니 그래픽보다 안드로이드-윈도우8을 동시에 만족시키는 CPU 파워를 끌어올린 것이 테그라3라는 결과물을 만든 것이다.
퀄컴 - LTE 통합으로 스마트폰 시장에 딱 맞아
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
MSM
8960 |
28nm
(TSMC생산)
|
향상
(Sorpion 듀얼)
|
향상
(Adreno 225)
|
통합
|
2012년형
LTE스마트폰
|
퀄컴 스냅드래곤 시리즈는 LTE 모뎀(CP) 때문에 지난 해 하반기부터 국내 상용화된 4G LTE 스마트폰을 만들기 위한 유일한(최적의) 솔루션으로 선택되었지만, 모바일 AP에 들어간 CPU와 GPU 성능이 경쟁 모바일 AP보다 떨어져 유저들에게 "수냅쓰레기"라는 혹평을 받았다.
물론 LTE 스마트폰 자체가 퀄컴 칩셋이 들어간 제품 밖에 없었기 때문에 성능 외적인 LTE 품질과 서비스, 비용, 배터리 시간 등 LTE 자체의 문제까지도 모두 스냅드래곤이 뒤집어쓴 경향도 있다.
그러나 올해 등장한 스냅드래곤 S4 듀얼코어(MSM8960)는 기존의 Scorpion보다 성능이 크게 향상된 퀄컴 Krait CPU 아키텍처와 Adreno 225 GPU가 투입되고, TSMC 28nm 공정을 기반으로 LTE 통신 기능을 AP에 내장한 원칩 설계가 가능해지면서 스냅드래곤 S3보다 성능은 올라가고 배터리 수명은 늘어난 제품이 되었다.
이러한 스냅드래곤 S4의 특징은 작은 크기와 적은 배터리 소모가 중요한 스마트폰 시장에서 유리하며, 여기에 현재까지 가장 널리 검증된 LTE 모뎀이 퀄컴이라는 점까지 겹치면서 올해도 LTE 스마트폰 주력은 퀄컴 스냅드래곤 S4 계열이 될 것으로 보인다.
다만 스냅드래곤 S4 듀얼코어는 TSMC 28nm 생산 부족으로 제조사들이 물량을 충분히 공급받지 못하고 있다는 것과, 원칩 LTE 설계가 스마트폰만큼 절실하지 않은 태블릿급 고성능 기기에서 Cortex-A9/A15 쿼드코어와 경쟁이 가능할지가 불안요소다. 물론 퀄컴도 스냅드래곤 S4 쿼드코어 제품이 라인업에 있지만, 삼성전자나 엔비디아에 비해 필요한 물량을 제 때 충분히 공급할 수 있을지 의문이다.
TI - 최신 기술, 공정이지만 양산 문제 걸림돌
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
3세대
코어 CPU |
28nm
(TSMC생산)
|
향상
(Cortex-A15)
|
향상
(SGX544MPx)
|
별도
|
노트북, 태블릿
|
TI의 OMAP 5 시리즈는 아키텍처와 제조공정 모두 최신 기술이 들어갔다. 일단 제조공정은 TSMC 28nm로 생산되며, CPU는 ARM Cortex-A 시리즈의 최신 버전에 해당하는 Cortex-A15 듀얼코어에 저전력 동작을 위한 Cortex-M4 듀얼코어, GPU는 애플 최신 아이폰-아이패드와 동급 혹은 그 이상일 수 있는 SGX544MPx가 들어간다.
CPU와 GPU, 그리고 제조공정까지 TI OMAP 5 시리즈는 애플이 원하는 A6 프로세서와 가장 비슷한 스펙을 가지고 있다.
그러나 Cortex-A15의 양산시기와 TSMC 28nm 안정화 및 생산증대 계획 등과 맞물리면서 OMAP 5 시리즈는 다른 모바일 AP에 비해 아직까지 실제 탑재된 제품이 출시되지 못한 상황이다.
물론 Cortex-A15 기반 모바일 AP 양산이 본격화되면 삼성 엑시노스 5 듀얼(Exynos 5250), 그리고 쿼드코어 계열의 스냅드래곤 S4,테그라3, 엑시노스 4 쿼드 등과 경쟁을 펼칠 것으로 보인다.
인텔 - 모바일 시장 정면 승부를 위해 GPU 강화
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
3세대
코어 CPU |
22nm
(인텔생산)
|
향상
(아이비브릿지)
|
향상
(HD G4000)
|
별도
|
노트북, 태블릿
|
인텔은 ARM 계열을 아톰(Atom) 플랫폼으로 상대하고 있는데 왜 뜬금없이 데스크탑/노트북 프로세서인 아이비브릿지(3세대 코어) CPU를 들고 나왔는지 궁금하시겠지만, 필자 개인적인 견해로는 인텔(x86)이나 MS(윈도우)가 바라보는 스마트 기기의 미래는 결국 PC 시장과 만나는 교차점이 있다고 여긴다는 것이다.
비록 ARM 계열이 저전력에 특화되었지만 태블릿을 중심으로 노트북, 서버 등 사용 영역이 확장되면 그에 따른 성능 향상이 요구될 수밖에 없고, 올해 말에 등장하는 윈도우 8을 기점으로 지금까지 별개로 여겨졌던 x86과 ARM 아키텍처 및 PC OS와 모바일 OS가 직접 대결을 펼칠 것이기 때문이다.
인텔의 GPU는 처음부터 사무용/가정용의 "CPU에 통합 가능한 수준의 성능"만을 제공했고, 인텔이 제한한 영역 안에서만 조금씩 향상되어 왔다. 그러나 이번에 등장한 아이비브릿지 기반 3세대 인텔 코어 프로세서는 GPU 성능을 크게 올린 인텔 HD 그래픽스 4000이 탑재됐다. 대신 CPU 쪽 성능 향상이나 오버클럭 능력이 일반 유저들이 기대한 수준에 이르지 못했다는 평가도 받았다.
최신 22nm 공정 도입으로 샌디브릿지보다 높은 오버클럭 능력을 바랬던 유저들에게는 안타까운 일이지만, 인텔의 이번 아이비브릿지는 이미 일반적인 PC 이용으로는 더 향상될 필요가 없는 CPU보다 울트라북/맥북에어 등에서 요구되어 온 그래픽 성능을 높이는데 중점을 두었다. 그 덕분에 윈도우 8 노트북이나 태블릿에서는 별도의 외장 그래픽 기능을 추가하지 않아도 충분할 정도의 그래픽 성능을 제공할 수 있게 된 것이다.
물론 ARM 기기들을 대하는 인텔의 자세는 여전히 저전력으로 변화시키는 아톰 플랫폼에 의한 것이지만, 당장 올해 말 윈도우 8 태블릿이 등장할 때 ARM 계열과 경쟁하기 위한 제품은 넷북스런 아톰 태블릿보다 빌드 윈도우 컨퍼런스에서 개발자들에게 배포했던 슬레이트 계열 고성능 제품의 활약이 더 클 것이다.
AMD - GPU가 아까운 트리니티, 윈도우 8이라면?
| 구분 |
제조공정 |
CPU 성능 |
GPU 성능 |
모뎀 기능 |
적용 모델 |
TRINITY
APU |
32nm
(GF생산)
|
향상
(파일드라이버)
|
향상
(HD 7000)
|
별도
|
노트북/태블릿
|
인텔 아이비브릿지가 넘치는 CPU 성능에 비해 GPU 성능이 기대만큼 높지 못하다면 AMD 트리니티 APU는 그와 정반대로 GPU 성능은 우수하지만 CPU 성능이 낮아 빛을 보지 못하는 경우다.
GPU에 AMD 라데온 7000 계열을 탑재한 트리니티 APU는 인텔이 큰 맘 먹고 개선한 HD 그래픽스 4000 내장 그래픽을 여전히 앞서는 내장 그래픽 최고 수준의 성능을 제공한다. 그러나 CPU에서는 여전히 인텔 코어 i7 시리즈에는 부족한 성능을 보여 최고 사양보다 중급형 시장에서 경쟁할 만한 제품으로 평가되고 있다.
그러나 적당한 CPU와 강력한 GPU가 어울릴 것으로 생각되는 윈도우 8 태블릿에서는 AMD 트리니티의 장점이 부각된다. 배터리 시간과 크기, 발열 등을 고려해 인텔과 AMD 태블릿 모두 별도의 외장 그래픽이 탑재되지 않을 것이며, 태블릿 특성상 고성능 CPU보다는 게임이나 멀티미디어에 강한 GPU 파워가 눈에 띌 것이기 때문이다.
다만 AMD가 트리니티 APU의 윈도우 8 태블릿을 위해 얼마나 많은 제조사들을 포섭할 수 있을지와 인텔 수준의 절전 및 최적화 능력을 보여줄 수 있을지가 중요하다. 소비자들에게는 적당한 가격으로 아톰과 코어 프로세서 태블릿 사이에 메리트를 느낄 수 있도록 해야 한다.
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