DDR5-5nm-Zen4로 빨라진 라이젠 7000 시리즈
AMD 라이젠 9 7950X vs 코어 i9-12900KF

2017년 3월 초 세상에 모습을 드러낸 AMD 라이젠 시리즈.

매각설까지 나올 정도로 힘들었던 AMD 기사회생시킨 신의 한 수였다. AMD 부활의 신호탄인 라이젠 시리즈는 데스크탑 버전의 경우 Zen/ Zen+/ Zen2/ Zen3 네 개 아키텍처에 이어 다섯 번째 아키텍처인 Zen4를 만난 라이젠 7000 시리즈가, 라이젠 시리즈 등장 5년을 지나 6년에 접어들고도 반 년이 지난 2022년 9월 세상에 모습을 드러냈다.

모바일 플랫폼의 경우 Zen3+라는 다리를 한 번 더 건너니 Zen4는 여섯 번째 아키텍처가 될테고, 이 때문에 명명법을 새롭게 책정했다는 소식도 나왔지만 당장 중요한 내용은 아닐 것이다.

어쨌든, AMD 기사회생의 주역인 라이젠 시리즈가 소켓을 포함해 대대적인 변화를 모색한 결과물이 바로 이번 기사에서 살펴볼 라이젠 9 7950X를 포함한 라이젠 7000 시리즈, 코드네임 라파엘이다.

AMD의 라이젠 7000 시리즈는 앞서 언급한 4, 5, 6에 더해 제품군의 네이밍까지 더하면 4, 5, 6, 7까지 4개의 연속 숫자에 의미부여할 수 있는 재밌는 제품이다. 조금 어거지성이 있긴 하지만 이중에서 무시할 수 없는 숫자가 있으니 바로 '5'.

라이젠 7000 시리즈의 본격적인 리뷰에 앞서, '5'에 얽힌 내용들을 간단히 정리했다.

■ PGA 방식 소켓 AM4에서 LGA 방식 소켓 AM5로

 라이젠 7000 시리즈에서 가장 크게 주목받은 내용을 꼽자면 바뀐 소켓을 들 수 있다.

K7 애슬론 시절 잠시 슬롯(슬롯 A)형으로 디자인하던 때를 제외하면 AMD의 메인스트림 CPU는 언제나 CPU 본체에 핀이 달린 PGA(Pin Grid Array) 방식이었다. 때문에 CPU 교체시 자칫하면 쿨러에 딸려 나오면서 핀이 손상되는 '무뽑' 발생해 사용자들의 원망을 샀다. 

라이젠 7000 시리즈의 AM5 소켓은 마침내 CPU에서 메인보드로 핀이 옮겨간 LGA(Land Grid Array) 방식이라, 소켓 가이드가 CPU를 물리적으로 눌러 고정하는 방식이라 무뽑 가능성을 원천 봉쇄한다.

한편, 소켓 형식은 바뀌었지만 백플레이트와 기본 쿨러 고정 가이드의 형상 및 크기는 그대로 유지, 사용 중이던 쿨러가 라이젠 7000 시리즈의 발열에 대응할 수 있다면 그대로 사용할 수 있다.

단지, 소켓이 LGA 방식으로 바뀌면서 CPU 고정을 위한 나사가 백플레이트를 이용해 고정되므로, 해당 위치의 나사 고정을 염두에 두지 않고 설계된 전용 백플레이트 고정 방식 쿨러는 사용하기 곤란할 수 있다.

AMD 번들 쿨러와 같은 클립 고정 방식 제품은 문제없이 사용할 수 있다.

이러한 구조적 차이 외에도, AM5 소켓은 기본 TDP 170W에 최대 230W(PPT)까지 전력 허용량이 늘었다. AM4가 기본 TDP 105W에 최대 142W인 것과 비교하면 상당히 높아진 것이다. 물론 이는 규격상 최대 수치고, 메인스트림급 CPU는 일상적인 활용 환경에서는 이보다 낮은 전력에서 동작한다.

■ 메모리, DDR4 전용에서 DDR5 전용으로

라이젠 7000 시리즈는 DDR5 메모리 전용으로 나왔다.

아직 DDR4 대비 가격이 높은 것이 걸림돌이지만, 지난해 인텔 엘더 레이크 출시 이후 어느 정도 가격이 안정화되면서 현실성 있는 수준까지 내려와 다행이다. DDR5는 DDR4 대비 낮은 동작 전압, ECC 통합으로 높아진 데이터 무결성, 전체 비트 구조는 DDR4와 동일하지만 DIMM 내부적으로 듀얼 채널 구성을 통해 개선된 효율 등, 여러가지 나은 모습을 보여준다.

라이젠 7000 시리즈가 공식 지원하는 최대 메모리 클럭은 DDR5 5200MHz으로, 엘더 레이크의 DDR5 4800MHz보다 그다지 많이 빠른 편은 아니지만, 비율로 따지면 약 8%에 달한다.

DDR4에서 DDR5로 지원 메모리가 변경되면서, 라이젠 플랫폼의 성능을 좌우하는 메모리 클럭 연동 방식도 변경되었다.

AM4 플랫폼의 잠재력을 최대로 끌어내기 위해서는 메모리 클럭, 메모리 컨트롤러 클럭, 인피니티 패브릭 클럭의 비율을 1:1:1로 맞춰줄 것이 권장된다. 이러한 클럭 비율을 유지하며 가격 효율을 최대화할 수 있는 이상적인 스윗스팟은 DDR4 3600MHz이었다.

반면 AM5 플랫폼에서는 메모리 클럭과 메모리 컨트롤러 클럭만 1:1로 맞추고, 인피니티 패브릭 클럭은 자동으로 설정할 것이 권장된다. 때문에 메모리 오버클럭 난이도가 상대적으로 낮아질 것으로 기대되며, AMD가 밝힌 라이젠 7000 시리즈의 메모리 스윗스팟 클럭은 DDR5 6000MHz이다. 

한편, DDR5 전용으로 나온 라이젠 7000 시리즈는, 최적화된 전용 메모리 오버클럭 프로파일인 EXPO 기술도 발표했다. EXPO는 라이센스와 로얄티에서 자유로운 메모리 규격이며, 투명성 담보를 위해 모든 EXPO 메모리 키트에는 부품, 전체 타이밍 테이블, 안정화 SW/ HW 정보 등이 포함된 자체 보고서가 포함되어야 한다.

라이젠 7000 시리즈는 DDR5 메모리를 위한 전용 오버클럭 프로파일 기술을 지원하지만, 메인보드 제조사들의 관련 내용에 따르면 인텔 XMP도 여전히 지원된다. DDR5 메모리를 쓰는 인텔 12세대 코어 CPU에서 AMD 라이젠 7000 시리즈로 이동한다면, 메모리 OC 프로파일에 신경쓰지 않아도 좋다.

■ 이번에도 두 배 빨라진 PCIe 5.0

라이젠 7000 시리즈의 핵심 기능 중 하나로 내세워진 내용은, 모두 알다시피 또 다시 두 배 빨라진 PCIe 5.0이다. 경쟁사인 인텔은 아직 주로 그래픽 카드 연결에 쓰이는 PCIe x16쪽만 5.0 규격을 지원하는 것과 달리, AMD 라이젠 7000 시리즈는 주로 M.2 소켓에 쓰이는 확장용 PCIe Lane까지 5.0 규격을 지원한다.

라이젠 7000 시리즈 출시 시점에서는 아직 PCIe 5.0 규격 제품이 일반 소비자 시장에 출시되지 않아 효용성을 말하긴 이른 단계지만, 인텔 플랫폼에 비해 상대적으로 쾌적한 시스템을 기대할 수 있는 대목이다.

단, 칩셋과의 연결은 여전히 PCIe 4.0 x4Lane 기반이라, CPU쪽 PCIe 5.0 x4Lane M.2 소켓과 메인보드 쪽 PCIe 4.0 x4Lane M.2 소켓간의 데이터 교환 작업에서는 병목 현상 발생이 우려된다.

여기서 간단히 라이젠 7000 시리즈와 5000 시리즈의 I/O 기능을 정리했다.

CPU의 I/O 기능을 보면 라이젠 7000 시리즈에서는 USB 2.0 포트가 1개 추가, PCIe 버전이 4.0에서 5.0으로 업그레이드 됨과 동시에 Lane도 24에서 28로 확장. 옵션 조정이 가능했던 PCIe Lane이 NVMe 전용으로 설계되었다.

칩셋의 경우 USB 3.1과 2.0 포트의 기본 갯수가 대폭 확대되었고, PCIe 4.0 Lane도 50% 확대되었다. 기본적으로 SATA 포트를 지원하지 않는 대신 PCIe Lane을 전환해 제공하는 방식으로 변경되었다.

■ 전력 효율 개선, 밀도 높아진 TSMC 5nm 공정

AMD 라이젠 7000 시리즈의 부스트 클럭은 5.7GHz에 달하고, 베이스 클럭도 라이젠 5000 시리즈의 부스트 클럭에 준하는 4GHz 중반대로 동작한다. 라이젠 5000 시리즈의 베이스 클럭이 대략 3GHz 중후반대에 부스트 클럭 4GHz 중후반 대였던 것과 비교하면 비약적인 발전이다.

이러한 고클럭은 일반적으로 발열 상승으로 이어지고, 아키텍처 개선 과정에서 요구되는 트랜지스터 확장 및 밀도 증가 역시 발열 증가를 불러오기 십상이다. 라이젠 7000 시리즈를 AM4와 동일한 크기의 패키지에 담기 위해 필연적으로 더욱 미세화된 공정이 요구되는데, 라이젠 7000 시리즈에는 TSMC 5nm 공정이 적용되었다.

TSMC 5nm 공정은 라이젠 3000 시리즈와 5000 시리즈에 적용된 TSMC 7nm 대비 공정 자체적으로 동일 성능에서 전력 30%, 동일 전력에서 15%의 성능 개선을 이뤄낼 수 있고, 동일 면적에 80% 더 많은 트랜지스터를 심을 수 있는 것으로 알려졌다.

여기에 13% IPC와 최대 16% 높은 클럭, Zen4 아키텍처 개선이 더해지면서 16코어 기준, 라이젠 7000 시리즈는 라이젠 5000 시리즈와 비교해 동일 전력에서 최대 49%더 높은 성능을, 62% 낮은 전력으로 동일 성능을 발휘하게 되었다.

하지만 그 부작용으로 발열과 전력 소비량이 크게 높아졌는데, 동일한 12코어 24스레드 모델인 라이젠 9 5900X와 라이젠 9 7900X의 전력과 온도를 비교하면, 360mm 일체형 수랭 쿨러인 라인리 GALAHAD AIO 360을 최대 속도로 가동했음에도 온도가 무려 30도나 높아져 CPU 제한 온도인 95도까지 증가했고, 시스템 전체 전력은 100W나 높아졌다.

AM4와 AM5 플랫폼의 메인보드 및 메모리 차이를 감안해도 온도와 전력이 대폭 상승했다. TSMC 5nm 공정으로 획득한 전력 효율을 성능에 '몰빵'한 결과로 풀이되는데, 라이젠 7000 시리즈 구매자는 파워서플라이 출력과 냉각 솔루션이 충분히 대응할 수 있을지 점검이 필요하다.

■ Zen4 아키텍처, 어떤 점이 개선되었나?

AMD 라이젠 7000 시리즈의 물리적 변화에 더해, Zen4 아키텍처 면에서는 어떤 변화가 있었는지 간단히 정리해 본다. 

간단히 정리하면, 지속적으로 개선되어온 분기 예측이 Zen4 아키텍처에서도 강화되었으며, Op 캐시와 명령어 퇴출 큐(Instruction Retire Queue) 확대, 정수(Int, 약 17%)와 부동 소수점(FP, 20%) 레지스터 파일 증가, 코어 전 영역에 걸친 버퍼 및 L2 캐시 확장, 저장/ 불러오기 개선, AVX-512 지원으로 요약할 수 있다.

구체적으로는 프론트 엔드 단에서 분기 예측 개선을 위해 L1(50%)과 L2의 BTB(약 7.7%)(Branch Target Buffer) 및 Op 캐시(68%)를 늘렸고, 실행 엔진단에서는 명령어 퇴출 큐(25%) 확대, 저장/ 불러오기 기능 관련으로는 로드 큐(25%)와 L2 DTLB(Data Translation Look-aside Buffer) (50%) 확장이 이뤄졌다. 

L1 캐시와 L2 캐시 용량은 동일하지만 L2 캐시 용량을 512KB에서 1MB로 두 배 늘렸고, L2에서 L3로의 예측 실패 지원이 강화, L3 캐시에서 필터링과 캐시 전송 탑지를 위해 L3에서 L2 태그를 복제한다. L3 캐시는 L2 캐시의 빅팀(Victims) 방식이며, CCX의 모든 코어가 내용을 공유한다.

Zen4 아키텍처는 AMD 메인스트림 CPU 최초로 AVX-512 명령어를 지원한다. 인텔 12세대 코어 CPU 역시 아키텍처면에서는 지원하지만 서버, 워크스테이션 용 등으로 쓰이는 제온 프로세서에서만 열어놓은 것과 대비되는 부분이다.

인텔 역시 메인스트림에서는 11세대 코어 CPU 때 AVX512를 지원했지만 12세대에서는 지원을 중단한 것이 상위 모델과 차별성을 두기 위함이거나, 메인스트림 사용자의 활용성이 예상보다 낮았을 수 있고, 높은 발열 및 전력 특성을 감안한 때문일 수 있다.

아무튼 라이젠 7000 시리즈는 상당히 폭 넓은 AVX-512 명령어 셋을 지원하며, 이를 통해 라이젠 5000 시리즈 대비 VNNI(Vector Neural Network Instructions) 성능은 2.47배, FP32 추론 성능은 1.31배 향상을 기대할 수 있다.

라이젠 7000 시리즈에 적용된 Zen4 아키텍처는 이러한 변화로 Zen3 대비 동일 클럭에서 평균 성능(IPC)이 13% 향상되었다. 앞서 이야기했듯, 여기에 약 1GHz 수준의 클럭 향상이 맞물리면서 Zen3 대비 싱글 스레드 성능은 29% 이상 향상되었고, 동일 전력 상황에선 멀티 코어 성능이 최대 49%까지 빨라졌다.

■ GF 12nm서 TSMC 6nm로 변화 개선된 IOD

CPU에 별도 칩렛으로 통합되어 메모리 및 PCIe 컨트롤러 등의 I/O 기능을 제공해온 IOD도 변화되었다.

눈에 띄는 변화를 꼽자면 라이젠 5000 시리즈까지 글로벌파운드리(GF)의 12nm 공정에서 TSMC의 6nm 공정으로 변경된 것. 전력 효율이나 성능 등 공정 개선 효과는 언급되지 않았지만, PCIe 5.0과 USB 5.2, DDR5 DRAM 지원 등 고속 I/O 기능 구현을 위해 발열과 전력 효율 개선을 위해 제조 공정 전환을 선택한 것으로 판단된다.

또 다른 변화를 꼽자면, GPU 코어를 통합해 모든 라이젠 7000 시리즈에서 CPU 자체적으로 그래픽 출력 기능을 지원한다. RDNA2 아키텍처 기반 2CU 모델로, 본격적인 게이밍 성능을 기대하긴 어렵지만, 라데온 RX 6000 시리즈에서 지원하는 AV1 디코드 기능도 지원해, 엔트리급 모델 기반의 멀티미디어 머신(HTPC)를 꾸미기 유리해졌다.

출력 포트도 DP 2.0 UHBR10과 HDMI 2.1(FRL), USB Type-C DP Alt 모드를 지원하는데다, 하이브리드 그래픽 기술도 지원하는 등, 제한된 공간 및 전력 상태에서 CPU에 통합된 그래픽으로는 충분한 스펙이다.

인텔의 'F' 시리즈처럼 내장 그래픽 코어를 죽인 모델이 출시될지는 미지수다.