ARM이 내년에 출시될 고성능 스마트 기기를 위한 차세대 모바일 프로세서 기술을 발표했다.
ARM은 컴퓨텍스에서 2017년 플래그십 모바일 기기에서 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 경험을 재정의할 프리미엄 IP로
Cortex-A73 CPU와 Mali-G71 GPU를 공식 발표했다. 새로운 모바일 프로세서 기술은 최신 10nm FinFET 공정 기술에
최적화되어 더 높은 성능 및 전력 효율을 제공할 수 있다.
big.LITTLE 프로세서를 위한 고성능 Cortex-A73 CPU
ARM Cortex-A73은 가장 효율적이고 높은 성능을 제공하는 애플리케이션 프로세서다. 이전 세대 CPU 대비 30% 높은 성능을
제공하며, 추가적인 성능을 필요로 하기 때문에 하이엔드 스마트폰에서 발열 때문에 지원이 어려웠던 가상현실(VR), 증강현실(AR), UHD 같은
콘텐츠 이용이 가능해진다.
TSMC 10nm FinFET 공정을 사용하는 Cortex-A73 CPU 기반 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)는 기존 20nm 공정
대비 동급 수준에서 CPU 코어가 차지하는 실리콘 면적을 70%, 16nm 공정 대비 46% 줄일 수 있어 제조사들이 보다 슬림한 프리미엄
스마트폰을 만드는데 도움을 준다.
특히 ARM 고성능 CPU는 2015년 등장한 Cortex-A57과 올해 나올 Cortex-A72 모두 공정 문제로 최대(Peak) 클럭과
지속적인 동작 가능한(Sustained) 클럭에 차이가 있었지만, 10nm FinFET 공정을 쓰는 Cortex-A73 CPU는 최대 클럭은
2.8GHz로 올라갔을 뿐만 아니라 지속 가능한 클럭 역시 최대 클럭 수준에 근접하게 향상시켜 Cortex-A72 대비 1.3배(30%),
Cortex-A57 대비는 무려 2.1배 높은 성능을 구현할 수 있게 됐다.
Cortex-A73은 SoC와 CPU 보안 기술인 ARM 트러스트존(TrustZone)을 비롯해 고성능 멀티미디어 엔진 NEON, 가상화
및 암호화 등 전체 ARMv8-A 아키텍처 기능을 지원하는 가장 작고 효율적인 ARMv8-A 코어다. Cortex-A73 마이크로아키텍처는
64KB 명령어 캐시, 가장 진보된 알고리즘을 기반으로 하는 첨단 분기 예측, 고성능 명령어 프리 패치를 포함한 다양한 최적화 기능을 포함하며,
데이터 메모리 시스템 성능 향상을 통해 모바일 사용시 동일 클럭에서 이전 세대 Cortex-A72 대비 10% 성능 향상이 가능하며, 멀티플
애플리케이션 작업이나 운영체제 동작, NEON 처리 작업 같은 복잡한 계산 작업에서 메모리 워크 로드도 15% 증가했다.
성능 향상 뿐만 아니라 전력 효율성도 향상됐다. Cortex-A73은 소비 전력을 줄이기 위해 공격적인 클럭 게이트 방식, 전력 최적화된
RAM 구성, AArch32와 AArch64 실행을 위한 최적의 자원 공유 같은 다양한 최적화를 구현했다. 이를 통해 기존 Cortex-A72
대비 정수 작업에서는 20% 소비 전력을 절감하고 부동 소수점 및 메모리 액세스에서는 더 높은 전력 절감이 가능해졌다. 이 같은 전력 효율
향상으로 더 나은 사용자 경험을 제공하고 배터리 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 CPU에서 절약된 전력을 GPU에 투자해 더 나은 시각적인
효과, 더 높은 프레임 속도, 새로운 기능을 제공할 수 있다.
ARM big.LITTLE 구성에서 개별적으로 구현 또는 결합해 미들레인지급 스마트폰 및 소비자 기기에서 최고의 응답 시간 및 사용자
경험을 강화시키고 GPU 및 기타 IP와 함께 하나의 모바일 칩셋(SoC)을 확장하기 위한 기회를 만들 수 있다. Cortex-A73 고성능
big 코어4개(쿼드코어)와 Cortex-A53 저전력 LITTLE 코어 4개로 구성된 옥타코어(8코어) CPU 구조 뿐만 아니라 1개의 big
코어와 2개의 저전력 코어, 그리고 2개의 big 코어와 4개의 저전력 코어로 구성된 트리플코어 및 헥사코어 모바일 프로세서 디자인 설계도
가능하다.
기존 중보급형 스마트폰에 사용된 옥타코어는 저전력 Cortex-A53 CPU를 고클럭 4개와 저클럭 4개로 나누어 사용하는 방식이었다면,
2개의 Cortex-A73 CPU와 4개의 Cortex-A53 CPU로 구성된 헥사코어 모바일 프로세서는 같은 크기의 풋프린트에서 멀티코어
성능을 필요로 하는 사용자 경험은 30% 향상, 빠른 응답 속도가 요구하는 싱글-스레드 성능은 90% 향상된다.
ARM에서는 프리미엄 및 중급형 스마트폰을 비롯해 자동차 인포테인먼트, 스마트 TV, 셋탑박스, 태블릿과 같은 대화면 모바일 기기, 산업용
게이트웨이, 홈 네트워크 기기(공유기) 등을 타겟으로 하고 있다고 밝혔다.
ARM Cortex-A73 CPU는 하이실리콘(HiSilicon), 마벨(Marvell), 미디어텍(MediaTek)을 비롯한 10개의
파트너사들이 라이센스를 받은 것으로 알려졌으며 이를 탑재한 프리미엄 스마트폰은 2017년 초에 출시될 예정이다.
3세대 비프로스트 아키텍처가 적용된 Mali-G71 GPU
ARM Mali-G71 GPU(Graphics Processor Unit)는 기존 ARM GPU 아키텍처인 우트가르드(Utgard)와
미드가르드(Midgard) 다음에 해당하는 3세대 비프로스트(Bifrost) 아키텍처를 처음 탑재했으며 최신 Vulkan API를 비롯해 다른
업계 표준 API들에 최적화되어 있다.
3세대 비프로스트 아키텍처는 2세대 미드가르드 아키텍처와 비교해 Claused shaders 작업이 완료될 때까지 중단없이 실행되도록 서
명령어 세트를 그룹으로 묶어 블록으로 정의하는 것을 허용함으로써 레지스터 파일에 대한 부담을 낮추고 전력 소모량을 크게 줄이면서 실행 유닛의
제어 로직을 단순화시켜 면적 감소에 기여한다.
또한 한 번에 하나의 스레드를 실행하고 쉐이더 코드 벡터 명령 실행에 매우 의존적인 SIMD 벡터화를 사용한 미드가르드 GPU에 비해
비프로스트 아키텍처는 쿼드 기반의 벡터화로 4개의 스레드가 제어 로직을 공유하고 함께 실행할 수 있다. 이것은 보다 쉽게 실행 유닛을 100%
활용할 수 있도록 만들고 개발자들이 최신 고급 쉐이더 코드를 작성할 수 있도록 해준다.
마이크로아키텍처 최적화 뿐만 아니라 무손실 이미지 압축 프로토콜 및 포맷 'AFBC(ARM Frame Buffer
Compression)', 표준 안드로이드 UI 텍스처 읽기 대역폭을 감소시키는 '스마트 컴포지션(Smart Composition)', Open
GL 및 OpenGL ES에 사용되는 텍스처 압축 기술 'ASTC(Adaptive Scalable Texture Compression)',
미드가르드 아키텍처에 들어갔던 렌더링 프레임 대역폭 전송 데이터 감소 '트랜잭션 제거(Transaction Elimination)'와 같은
ARM의 대역폭 감소 기술을 통합했다.
ARM은 Mali-G71 GPU가 오늘날 중보급형(mid-range) 노트북에 들어가는 많은 외장 그래픽 칩셋을 능가하는 성능을 가지고
있으며, 동기식 구성으로 소프트웨어 개발을 간단하고 효율적으로 할 수 있고 차세대 모바일 프리미엄 게임 및 VR 경험을 제공한다고 설명했다.
이전 세대 Mali-T880 GPU는 최대 16 코어(1~16)까지 확장이 가능했지만 Mali-G71 GPU는 아키텍처 변화로
모바일 기기에서 증가하는 성능 요구를 반영해 그 2배에 해당하는 최대 32 쉐이더 코어(Shader Core) 구성이 가능해졌다. 16코어
GPU가 모바일 태블릿이나 노트북급 그래픽 성능을 제공할 수 있었다면 32코어 GPU는 모바일 VR 시스템을 구현하기 위한 필수 조건인 셈이다.
최대 32코어 구성이 가능해지면서 이를 기반으로 Mali-G71 GPU는 유사한 조건의 기존 Mali-T880 대비 그래픽 성능은 50%,
전력 효율성은 20%, GPU 면적당 성능은 40%가 증가했다.
또한 모바일 VR 최적화 기능으로 프론트 버퍼 렌더링을 사용해 렌더링 시간 및 레이턴시를 줄이고, 애플리케이션이 하나의 프레임에 대한
드로우(draw) 명령을 내리면 드라이버에서 각각의 눈에 보여지기 위해 필요한 작업을 즉석으로 실행하는 멀티뷰(multiview) API 확장을
지원한다. 빠른 헤드 트래킹에도 화면이 울렁거리지 않도록 초당 화면 전환수(Refresh rate)는 최대 120Hz를 지원하며 4K 해상도,
4ms 그래픽 파이프라인 응답시간, 4x MSAA 등 모바일 VR 구현에 필요한 기능들을 갖췄다.
ARM Mali-G71은 고급 3D 그래픽 가속 및 GPU 컴퓨트 기능을 위한 현세대 및 차세대 API에 대한 완전한 지원을 제공한다.
크로노스 그룹의 OpenGL ES 3.2, 3.1/2.0/1.1을 비롯해 최신 Vulkan 1.0, 그리고 OpenCL 1.1/1.2/2.0전체
프로필 API를 포함하며, 추가로 구글 안드로이드 확장팩(Android Extention Pack)과 마이크로소프트 DirectX 12도
지원한다.
Mali-G71 GPU는 AMBA4 ACE 인터페이스를 통해 전체 하드웨어 일관성(full hardware coherency) 지원도
추가된다. 이를 통해 개발자는 OpenCL 2.0에서 도입된 공유 가상 메모리(shared virtual memory)의 이점을 누릴 수 있다.
외부 메모리 상호작용 없이 CPU와 GPU 사이에 세밀한 데이터 공유를 허용해 GPU 컴퓨팅 작업에서 CPU와 GPU의 데이터 공유를 용이하게
한다.
Mali-G71 GPU는 Mali-DP650 디스플레이 프로세서 및 Mali-V550 비디오 프로세서와의 조합으로 멀티미디어 시스템에서도
낮은 대역폭 레벨에서도 고품질 고해상도 이미지를 제공할 수 있다. Mali Multimedia IP 스위트 구성은 프리미엄 기기에서 4K 콘텐츠
보안 비디오 경로를 활성화시키는 ARM 트러스트존(TrustZone) 미디오 보호를 지원한다.
그리고 ARM Cortex CPU와 Mali GPU, 비디오, 디스플레이 프로세서로 구성된 ARM 기반 모바일 프로세서(SoC)를 설계할
때 각 프로세서의 안드로이드 드라이버가 효율적으로 함께 작동하도록 설계되었다. SoC(System on Chip)을 설계할 때 다른 업체의
프로세서 기능을 통합시키는 경우 발생하는 최적화 문제를 제거하고 정기적인 안드로이드 업데이트시 지원 작업을 단순화한다. ARM의 사전 최적화된
소프트웨어를 활용함으로써 파트너 업체들은 솔루션 차별화에 초점을 맞춰 그들의 제품을 빨리 시장에 내놓을 수 있게 된다.
ARM Mali-G71 GPU는 삼성전자를 비롯해 하이실리콘, 미디어텍 같은 주요 모바일 프로새서 제조사들이 이미 라이센스를 획득한 것으로
나타났다.
[취재] 퀄컴 Oryon CPU 탑재한 플래그십 스마트폰 칩셋, 스냅드래곤 8 엘리트 발표 
