AMD는 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로학회(ISSCC: International Solid-State Circuits Conference)에서 노트북 및 저전력 데스크탑용으로 출시 예정인 A시리즈 APU인 ‘카리조(Carrizo)’를 공개했다.
발표된 내용에 따르면 카리조 APU는 엑스카베이터(Excavator) x86 CPU 코어와 차세대 AMD 라데온™(Radeon™) GPU를 통합하며 향상된 성능과 전력 관리 기술을 제공한다. 진정한 의미의 시스템온칩(SoC: System-on-Chip) 설계에 한발 더 다가갔으며 x86 코어의 전력 소비만 최대 40%까지 절감이 가능할 것으로 전망되며 이전 세대 대비 향상된 CPU와 그래픽, 멀티미디어 성능을 제공할 예정이다.
AMD의 선임 연구원이자 설계 엔지니어인 캐시 윌콕스(Kathy Wilcox)는 “28nm의 x86 APU를 통해 전력 및 면적 효율성을 최적화 했다”고 설명했으며 이번 발표는 카리조 APU의 주요 기술이 소개되었다.
CPU와 GPU 아키텍처를 개선한 카리조 APU
ISSCC를 통해 발표된 카리조 APU의 주요 내용을 보면 전 세대 카베리 APU 대비 29% 더 많은 트랜지스터를 탑재하면서 새로운 엑스카베이터 x86 코어를 기반으로 IPC는 5% 정도, 이전 대비 40% 적은 전력소모로 더 높은 클럭 당 명령어 처리 능력 제공, 전용 파워 서플라이를 갖춘 새로운 라데온 GPU, 독자적인 온칩 H.265 비디오 디코더 탑재 및 카베리 대비 3.5배 향상된 트랜스코드 성능, 성능과 배터리 사용 시간 모두 기존 세대 제품 대비 두 자리수대 비율로 개선, AMD 고성능 APU 최초로 사우스브릿지를 통합했다.
AMD 카리조 APU는 이전 세대인 카베리 APU와 동일한 28nm 공정을 이용하고 있지만 비슷한 크기의 칩에 총 31억개의 트랜지스터를 집적하며 이를 통해 그래픽과 멀티미디어 오프로드, 사우스브릿지 시스템 컨트롤러를 단일 칩에 통합할 수 있는 공간을 확보했다.
카베리는 245mm^2 다이 사이즈와 24억 1천만개의 트랜지스터 집적하고 있으며 카리조는 244.62mm^2의 다이 사이즈, 엑스카베이터 코어는 스팀롤러 (Steamroller) 코어보다 줄었으며 하나의 코어는 14.48mm^2 사이즈와 트랜지스터는 1억 2백만개가 집적, L1 캐쉬는 카베리의 16KB에서 두배로 증가한 코어 당 32KB, 전체 코어는 6억 9천만개의 트랜지스터가 사용된다.
또한 AMD는 인텔 하스웰 (Haswell)에서 지원하는 것과 유사한 확장 명령어 셋인 AVX2와 BMI2, MOVBE, RDRAND 명령어 지원을 추가하고 있으며 노트북 및 올인원PC를 위한 BGA (FP4) 패키지 기반 제품은 TDP 12/ 15/ 35W 스펙을 제공할 것으로 알려졌다.
차세대 GCN 아키텍처의 내장 GPU는 DX12를 지원하며 내장 GPU와 보급형 외장 GPU를 멀티 GPU로 구성해 성능을 향상하는 듀얼 그래픽스도 제공한다. 새로운 고성능 H.265 비디오 압축 표준 기술과 전 세대 대비 2배로 증가한 비디오 압축 엔진을 탑재하며 H.265 비디오 압축 표준 기술을 통합해 4K 해상도 지원과 배터리 사용시간 연장, 호환 비디오 재생시 대역폭 감소 등의 향상이 이루어졌다.
카리조는 HSA 1.0 사양을 준수하며 HSA는 CPU나 GPU 등 서로 다른 프로세서의 효율 개선, GPU의 손쉬운 사용과 낮은 전력으로 애플리케이션 성능 향상, hUMA(heterogeneous Unified Memory Access) 지원으로 CPU와 GPU는 동일한 메모리 주소 공간을 공유하고 2개의 프로세서가 모든 플랫폼의 메모리에 접근하고 시스템 메모리 공간 어느 곳에서나 데이터를 할당하는 것이 가능해졌다. 이같은 논리적인 메모리 아키텍처로 작업을 완료하는데 필요한 명령어 수를 줄이고 이를 통해 성능과 전력 효율도 동시에 개선한다.
통합되는 FCH는 디스플레이와 오디오, PCIe, SATA, USB, ClckGen 등을 탑재하며 DCE11 디스플레이 컨트롤 엔진으로 HDMI 2.0과 최대 3개의 디스플레이, PCIe 3.0 x8, 4개의 USB 3.0과 2.0, 2개의 SATA3 (6Gbps), 듀얼 채널 DDR3-2133MHz, SO-DIMM 슬롯 지원, H.264 인코드도 지원하며 UVD6과 VCE3를 탑재할 것으로 알려졌다.
새로운 전력 효율 기술을 기반으로 고성능 고효율 구현
AMD가 공개한 카리조 APU의 주요한 특징은 CPU와 GPU 아키텍처 향상을 통해 이들의 성능과 효율을 향상하고 있는 것 외에도 새로운 전력 기술을 기반으로 기존 세대 카베리 대비 고성능과 고효율을 구현하는데 있다.
카리조 APU는 고밀도 설계를 바탕으로 23% 다이 사이즈 감소와 더 적은 전력을 소비하는 엑스카베이터 x86 코어를 이용하며 8개의 라데온 GPU 코어는 장치 선택과 튜닝을 바탕으로 카베리 내장 GPU 대비 20% 더 적은 전력을 소비한다.
코어 면적 감소를 통해 CPU의 전력 소비를 줄이는 것 외에도 AMD는 28nm 공정 기술을 전력 효율성 개선에 맞추어 최적화했으며 GPU 역시 제한적인 전력소비 상황에서 적절히 작동할 수 있도록 조정했다. 엑스카베이터 아키텍처의 FPS/ FMAC/ i-Cache의 각 셀은 카베리 대비 35%의 면적이 감소했으며 새로운 Fin 스택 기술을 통해 전반적인 면적도 줄였다. 이를 통해 같은 전력으로 10% 향상된 주파수 달성 및 18% 누설 전류 감소가 가능해졌다.
와트당 성능 최적화를 위해 AVFS(Adaptive Voltage and Frequency Scaling), 즉 적응형 전압 및 주파수 조정 기술을 도입했다. 이 기술은 온도 및 전력 센서 외에도 독자적인 특허를 보유한 반도체 속도 및 전압 센서를 추가함으로써 개별 APU가 각각의 반도체 특성, 플랫폼의 동작 특성, 운영 환경 등에 따라 적절히 조정이 가능해진다. 또 AVFS 기술은 이러한 수치에 따른 실시간 조정을 통해 전력 소비를 최대 30%까지 줄일 수 있게 되었다.
하나의 다이에 CPU와 GPU, 멀티미디어 가속기를 통합하는 APU는 효율 향상을 위한 최적화가 이루어지며 CPU와 GPU 사이는 효율적이면서 미세 조절 가능한 전력 관리 기술을 탑재한다. CPU와 GPU 사이의 통신 전력 역시 분리된 칩들 사이와 비교해 감소되며 공유 메모리 인터페이스의 사용 역시 전체 전력 소모를 줄이는 역할을 해준다.
HSA를 지원하는 최초의 SoC로 알려진 카리조는 CPU뿐만 아니라 GPU 연산을 이용해 효율적인 처리와 실행이 이루어지며 이를 통해 같은 전력에서 더 향상된 성능을 제공하고 더 낮은 에너지를 소비하면서도 더 향상된 효율이 가능해진다.
전통적인 마이크로프로세서는 순간적인 전압 하강 현상을 해결하고 충분한 전압 공급을 위해 10-15% 정도 초과 전압을 설정하지만 초과 전압은 증가한 전압의 제곱에 비례해 전력이 낭비된다. 10%의 초과 전압은 20%의 전력 낭비를 가져오게 된다.
AMD는 이를 보완하기 위해 전압 최적화를 위한 다양한 전력 관리 기술을 탑재했다. 평균 전압과 하강시 전압을 나노초 또는 수십억분의 1초 단위로 비교하여 조정하는 기능을 CPU와 GPU에 탑재했다. 이를 통해 카리조는 CPU와 GPU의 전력 소비를 각각 최대 19%와 10%를 절약할 수 있게 되었다.
또 카리조는 S0i3로 알려진 새로운 전력 관리 기술을 도입해 일반 사용을 위한 상황에서 평균 전력 소모를 더 낮출 수 있게 되었다. 전통적인 스탠바이 상황에서 진입과 탈출은 운영체제 개입이 필요해 느려지고 전력 소모가 커지는데 각종 회로를 저전력 상태로 낮은 전력에서 운용할 수 있도록 설계가 이루어졌다.
AMD가 카리조에 적용한 고성능과 고효율화는 제조 기술의 향상이 더딘 상황에서 28nm 공정을 최대로 활용하고 비용을 최적화하는데 목표가 있으며 2020년까지 APU를 최소 25배의 에너지 효율화와 성능 향상을 달성하기 위한 AMD 25x20 전력 효율성 개선도 진행하고 있다. 여기에 카리조는 초기 APU에서부터 수년동안 개발해온 기술과 새로운 세대와 시장의 요구에 맞는 기술과 개선점을 활용해 혁신을 이끌어내기 위한 작업도 진행해 앞으로의 APU는 향상된 기술과 지원, 전력 효율 및 성능 향상이 이루어질 것으로 예상된다.
한편 AMD의 선임 연구원이자 ISSCC에서 발표하는 내용의 공동 저자인 샘 네프지거(Sam Naffziger)는, “새롭게 출시될 ‘카리조 APU’는, 그동안 우수한 제품을 개발을 위해 노력해 온 AMD의 결실이며, 와트당 성능 향상 면에서 역대 세대별 메인스트림급 APU중 가장 큰 발전을 보여줄것이다”고 밝혔다.
또한, “현대적인 개념의 마이크로프로세서가 탄생한 이래, 컴퓨팅 성능 및 전력 효율성은 놀랄만한 발전을 거듭해왔다. 그러나 새로운 생산 공정 도입을 통한 전력 소비 개선 흐름은 그 속도가 점차 느려지고 있으며, 프로세서의 성능 및 효율성을 개선하기 위한 새로운 대안이 도입되어야 하는 시기에 이르렀다”고 설명하며, “AMD는 이러한 대안으로서 HSA(Heterogeneous System Architecture) 기술과 독자적인 전력 관리 기술을 개발 및 적용하고 있다. 이번 ‘카리조’ APU 출시는, AMD가 25x20 전력 효율성 개선 목표를 향해 한 걸음 전진하고, 향후 우리의 전 제품 라인업에 탑재될 새로운 기술을 최초로 도입한다는데 그 의미가 있다”고 덧붙였다.
