인텔은 IDF15의 기술 세션에서 제 6세대 코어 프로세서, 코드네임 스카이레이크의 마이크로 아키텍처에 대해 설명했습니다. 그 중에서도 특히 모바일 PC 사용자에게 주목할만한 새로운 절전 기술인 Intel Speed​​Shift Technology(스피드시프트)가 소개됐습니다.

 

 

하스웰/브로드웰 세대에선 아이들(C 스테이트)의 소비 전력을 절감

현대의 마이크로 프로세서의 소비 전력을 말할 때는 CPU가 어떻게 작동하는지를 이해할 필요가 있습니다. 마이크로 프로세서는 액티브 모드와 아이들 모드가 있습니다. OS가 동작하고 CPU가 뭔가 처리할 때에는 액티브 모드겠지요.

 

PC / AT 호환 기의 전력 동작을 규정하는 ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)의 표준은 이 액티브 모드를 P 스테이트라고 정의합니다. 반대로 OS나 애플리케이션이 멈춰 있을 때는 C 스테이트가 됩니다. 마이크로 프로세서는 P 스테이트(액티브)와 C 스테이트(아이들) 상태를 왔다 갔다 하면서 필요에 따라 움직여 전력 소모를 최소화하는 구조입니다.

 

인텔은 4세대 하스웰 프로세서에서 C 스테이트의 전력 사용량을 개선했습니다. 기존에는 C0 ~ C6까지만 있었던 C 스테이트를 확장해 C7 ~ C10라는 아이들 상태를 추가했습니다. C7 ~ C10은 칩셋의 전력 관리를 보다 효율적으로 수행하는 기능이 추가돼 아이들 시 소비 전력이 절감됐습니다. PC가 동작할 때의 대부분은 OS가 아이들 상태라 마이크로 프로세서가 C 스테이트 상태이기에 하스웰과 브로드웰은 기존보다 더 오랬동안 배터리를 쓸 수 있게 됐습니다.

 

 

작동 상태(P 스테이트)의 전력 관리를 담당. 15년 전에 등장한 인텔 스피드스텝

 

스카이레이크 세대에서는 하스웰/브로드웰 세대에서 실현된 C 스테이트 절전 외에도 P 스테이트의 절전 기능이 향상됩니다. 지금까지 인텔 마이크로 프로세서에서 P 스테이트의 전력 관리를 담당해 온 것은 인텔 스피드스텝이라는 기술입니다. 스피드스텝은 쉽게 말해서 클럭과 구동 전압을 동적으로 변화시켜 소비 전력을 줄이는 기능입니다. 마이크로 프로세서의 소비 전력은 클럭에 비례하고 구동 전압은 제곱에 비례해 늘어납니다. 따라서 클럭과 구동 전압을 모두 낮추면 전력을 줄이는 가장 좋은 방법이라 할 수 있겠습니다.

그러나 전압을 올려야 클럭도 올릴 수 있다보니 성능을 높이면 소비 전력이 늘어나게 됩니다. 그래서 성능이 필요 없는 상황에서는 구동 전압과 클럭을 낮춰 작동시키고, 성능이 필요한 경우에는 구동 전압과 클럭을 높임으로써 성능과 전력의 균형을 잡는 게 스피드스텝의 기본적인 생각입니다.

1999년에 발표된 최초의 스피드스텝은 AC 어댑터의 사용 여부에 따라 고클럭/고전압, 저클럭/저전압을 전환하는 간단한 구조였습니다. 그 후 2001년에 출시된 130nm 공정의 펜티엄 3 프로세서(코드네임 투알라틴)에서는 Enhanced Intel Speed​​Step Technology(EIST)라는 개선된 버전이 출시됐습니다. EIST는 최고와 최저의 2종류 외에도 클럭/전압을 여러 단계로 전환할 수 있게 하였으며, AC 어댑터의 유무 외에도 CPU에 걸리는 부하에 따라 상태를 조절할 수 있게 됐습니다.

이후 출시된 인텔의 마이크로 프로세서는 기본적으로 EIST가 P 스테이트에 있을 때도 사용 가능한 절전 기능으로 자리잡았습니다. 물론 이후에 기능 확장이 이루어지지 않은 건 아닙니다. 구체적으로는 네할렘 세대에 도입된 인텔 터보 부스트가 EIST를 확장한 기술이라고 볼 수도 있겠습니다. 터보 부스트는 시스템의 온도가 낮고 TDP에ㅔ 여유가 있는 상태일 때, 미리 정해둔 클럭/전압으로 높이는 기능입니다. 즉 EIST가 전력을 줄이는 기능이라면 터보 부스트는 반대로 성능을 높이는 데 사용하는 기술인 것입니다. 허나 절전 기능이라는 점에서 보면 1999년에 나온 스피드스텝이 그대로 쓰였다고 보면 됩니다. 

 

 

스피드스스텝의 작동 원리. P 스테이트 상태에서 클럭/전압이 CPU의 부하에 따라 단계적으로 변화, 소비 전력을 낮춥니다. 파란 색으로 표시한 부분이 터보 부스트를 통해 확장된 부분입니다. 

 

마이크로 프로세서에 내장된 PCU에 의해 자동 제어되는 스피드시프트

그러한 P 스테이트 절전 기능을 크게 확장하는 것이 스카이레이크에 추가된 스피드시프트입니다. 기존의 EIST가 OS를 포함한 소프트웨어 쪽에서 제어해 구현/실현하는 거였다면 스피드시프트는 클럭/전압의 변동을 하드웨어 내부 알고리즘에 따라 제어합니다.

인텔의 마이크로 프로세서는 PCU(Power Control Unit)라는 전원 관리 하드웨어를 가지고 있으며, 스카이레이크는 이 PCU를 처음부터 포함하고 있어 알고리즘에 따라 자동으로  CPU 클럭과 전압을 관리합니다. 구체적으로는 최고 클럭(기존의 터보 부스트 최고 클럭)과 작동 시간을 보장하는 클럭(기존의 베이스 클럭), 최적의 전력 사용량을 지닌 클럭(자동차에 비교하면 연비가 가장 좋은 rpm), 최저 클럭 등이 정의돼 있으며, 그 사이에 위치한 클럭으로 설정하는 것도 가능합니다. 

 

 

최근의 인텔 마이크로 프로세서는  PCU가 내장돼 있으며 이것이 전력에 대한 모든 것을 통제합니다. 

스카이레이크의 PCU는 밀리초마다 정해진 알고리즘에 따라 계산하면서 애플리케이션 및 워크로드에 따라 최적의 전력/클럭을 찾아, 필요에 따라 최대 클럭으로 높이거나 작동 시간을 보장하는 클럭으로 설정해 최적의 클럭으로 자동 조절합니다. 또 최저 클럭은 스카이레이크 세대의 경우 100 MHz입니다. 

 

 

스피드시프트는 소비 전력과 성능의 완벽한 균형을 PCU가 계산합니다.

이 자동 제어 기능은 OS 측에서 해제할 수 있습니다. 이 경우 기존의 스피드스텝과 마찬가지로 OS 쪽에서 CPU 부하 등을 체크하면서 클럭을 높일 수 있습니다. 혹은 반대로 OS에서 이 정도의 전력 절감이 필요하다고 요청해 클럭을 낮추는 것도 가능합니다. 

 

PCU에서 자동 제어를 하는 경우의 장점은 기존의 터보 부스트에서 관리하던 부분까지 포함해서 최저 클럭부터 최고 클럭까지 평탄하게 컨트롤할 수 있다는 것입니다. 따라서 필요에 따라 성능을 향상시킬 수 있으며 OS의 응답성을 개선하고 최적 전력 클럭을 유지할 수 있도록 효율적인 관리를 할 수 있습니다. 

 

 

스피드시프트에선 터보 부스트의 영역까지 CPU가 컨트롤할 수 있습니다. 모든 것이 CPU 내부에서 끝나기에 더욱 효율적으로 이용할 수 있습니다. 

 

윈도우 10은 앞으로의 업데이트에서 이용 가능. 윈도우 10과 스카이레이크의 조합으로 더욱 오랬동안 배터리 구동이 가능하게 될 것

이 스피드시프트를 이용하려면 OS 쪽의 구현이 필요합니다. 인텔에 따르면 윈도우 10의 스피드시프트 구현은 현재 마이크로소프트와 협력해서 진행하는 단계라고 합니다. 조만간 출시될 윈도우 10의 업데이트를 통해 지원하게 될 거라네요. 물론 스피드시프트를 사용할 수 없는 OS라면 기존의 스피드스텝이 작동하기 때문에 윈도우 7/8 등의 구현 OS라 해도 이용에 문제가 없습니다. 또 리눅스도 현재 리눅스 커뮤니티와 협력해서 개발 중이라고 합니다. 

 

IDF에서 개최된 기술 세션에서는 벤치마크 결과도 공개됐습니다. WebXPRT15과 TabletMark3 같은 벤치마크 테스트에서는 처리 능력이 높아진데 비해 소비 전력은 오히려 줄었다고 하네요. 따라서 P 스테이트의 소비 전력이 줄어들어 PC를 사용할 시간이 늘어나고-배터리 수명- 또 성능도 높아진다는 이야기가 됩니다. 

 

 

IDF의 기술 세션에서 스피드시프트의 사용 여부에 따른 벤치마크를 공개했습니다. WebXPRT15는 성능은 높아지고 소비 전력도 줄었음을 확인할 수 있었습니다. 경우에 따라선 거의 변하지 않는 경우도 있었는데 이는 사용법에 따라 달라지는 듯 합니다.

2-in-1 디바이스나 슬림 노트북을 사용하는 사람들은 조금이라도 더 오랬동안 배터리를 쓰길 바라곤 합니다. 하스웰에서 새로운 C 스테이트의 추가 등으로 그 희망은 대충 실현됐다고 말할 수 있지만, 스카이레이크는 거기에 추가로 P 스테이트의 새로운 컨트롤이 더해져 더욱 오랬도안 배터리를 쓸 수 있는 가능성이 생겼습니다. 윈도우 10의 구혐과 함께 앞으로 등장하는 윈도우 10 탑재 노트북과 2in1 디바이스에서 지원하게 되길 기대해 볼 만 하겠습니다.