물리적으로 Carrizo와 같지만 성능이 다른 Bristol Ridge

AMD는 2016년의 차세대 APU 브리스톨 릿지를 컴퓨텍스 타이페이 2016에 맞춰 발표했습니다. AMD는 이를 7세대에 속하는 새로운 APU라 강조하지만, 정말 차세대인지는 의문입니다. 이 APU(Accelerated Processing Unit)는 물리적으로 봤을 때 새로운 칩이 아니기 때문입니다. 브리스톨 릿지의 다이 자체는 지금의 APU인 카리조와 다를 게 없습니다.

브리스톨 릿지의 다이는 카리조의 다이와 똑같음

브리스톨 릿지는 4개의 엑스케베이터 CPU 코어와  GCN(Graphics Core Next) 1.2 아키텍처의 GPU 코어를 8 CU(Compute Unit) 탑재하고, 사우스 브릿지 칩을 통합한 SoC (System on a Chip)으로 구성됩니다. 유닛만 놓고 보면 카리조와 같습니다. 기능 면에서 눈에 띄는 카리조와의 차이는 DDR4 지원여부이나, 이것도 카리조에서 구현된 것이며 브리스톳 릿지는 활성화 됐을 뿐입니다.

이렇게 카리조와 다를 게 없어 보이지만서도 브리스톨 릿지는 매우 흥미로운 APU입니다. AMD가 다양한 기술을 사용해 성능을 끌어 올렸기 때문입니다. 카리조에 비해 브리스톨 릿지는 CPU가 20%, GPU는 최대 37%까지 성능이 향상됐다고 Joe Macri(Vice President and CTO, AMD Client Products, AMD)는 말합니다. 한마디로 새로운 칩을 설계한 것과 같은 수준의 성능 향상을 달성했습니다.

 
2세대 전의 카베리보다 50% 성능이 향상

GPU도 최대 37% 성능 향상

멀티미디어 성능은 12% 향상

AMD가 카리조를 출시한지 1년 됐습니다. 그 동안 APU를 재설계해서 성능을 올리는 것도 가능한 일이지요. 그러나 브리스톨 릿지는 물리적 설계에 전혀 손을 대지 않았습니다. "브리스톨 릿지는 카리조와 같은 공정 기술을 사용하며 칩의 트랜지스터도 차이가 없고 마스크 세트(반도체 패터닝 원판)조차 똑같습니다"라고 Macri는 말합니다. 그럼 어떻게 같은 다이인데도 APU의 성능을 끌어올릴 수 있었을까요?

쉐도우P 스테이트의 도입으로 다이마다 제어

반도체 칩은 전압을 높이면 트랜지스터의 속도가 높아지기에 보다 높은 클럭으로 동작할 수 있게 됩니다. 그리고 제조 공정이 성숙되면 같은 전압에서도 동작 클럭을 높일 수 있게 됩니다. 따라서 전력 사용 범위가 같아도 제조 공정의 성숙도에 따라 클럭과 전압의 조합이 달라집니다. 사실 성능 향상의 절반은 제조 공정의 성숙에 따라 실현되고 있습니다.

세부적으로 보면 칩의 클럭은 지연 시간이 긴 크리티컬 패스에 의해 결정됩니다. 임계 경로에 맞춘 동작 클럭을 쓰게 되는 것이죠. 여기에 CMOS 프로세스마다 각각 차이가 납니다. 어떤 칩은 크리티컬 패스가 느려 전압을 올리지 않으면 정격 클럭에 도달하지 못합니다. 즉 제조 공정이 성숙하면 클럭이 오르지만, 다이마다 차이가 있고 그 정도도 다릅니다.

그래서 AMD는 이러한 요소를 커버하기 위해 동작 클럭과 전압을 단계적으로 바꾸는 DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling)를 최적화 했습니다. 원래 AMD는 카리조에서 DVFS를 확장해 실제 실리콘 다이의 동작 클럭에 따라 최적화하는 AVFS(Adaptive Voltage and Frequency Scaling)'를 도입했습니다. 이것은 CPU 코어 클럭 센서를 설치해 특정 동작 클럭에서 동작하려면 전압이 최소 얼마나 필요한지를 감지하는 구조입니다. 따라서 제조 공정의 변화에따라 클럭과 전압의 조합 차이를 맞춥니다.

카리조에서 도입한 AVFS

DVFS / AVFS는 프로세서의 P 스테이트에 따라 클럭과 전압을 전환합니다. 그래서 브리스톨 릿지에선 새로 P 스테이트를 10단계로 설정했으며, 운영체제에서 고르는 P 스테이트는 8단계입니다. 따라서 나머지 2개의 P 스테이트는 쉐도우 P 스테이트가 된다고 Macr는 설명합니다. 즉 브리스톨 릿지는 기존의 8개 P 스테이트에 2개의 P 스테이트를 추가하고, 운영체제의 8개 P 스테이트를 CPU의 10개 P 스테이트에 맵핑하는 시스템을 씁니다.

이 방법은 브리스톨 릿지에서 더 높은 P 스테이트를 쓸 수 있게 했습니다. 즉 AVFS에 의해 칩의 최적 클럭과 전압의 전환 뿐만 아니라, 클럭과 전압의 상한선에 여유가 있을 경우 더 높은 조합으로 바꿀 수도 있습니다. 따라서 브리스톨 릿지는 일정한 전력 범위에서 동작 클럭을 높일 수 있게 됐습니다.

라이 어빌리티를 추적해 스펙의 여유분을 줄임 

브리스톨 릿지에선 라이 어빌리티 추적이라 불리는 제어도 수행합니다. CMOS 반도체는 전압을 너무 높일 경우 트랜지스터가 고장나며, 전류량이 많으면 배선층에 일렉트로 마이그레이션이 발생합니다. 이런 결손이 생기면 칩이 제대로 작동하지 않기에 칩의 스펙을 보수적으로 책정할 수밖에 없습니다. 칩의 오버클럭은 가능한 결손이 생기지 않도록 전압을 올리는 식으로 수행되는 것입니다.

그러나 칩이 평생동안 제대로 작동할 수 있는 값인 Failures in Time(FIT)과 상당히 큰 여유를 두고 동작 전압/클럭을 설정하게 되는데, 이게 칩의 스펙을 높이는 데 한계가 됩니다. 다이마다 차이도 있고 스펙을 올릴 여유가 있는 칩도 존재합니다. 그래서 AMD는 라이 어빌리티를 동작으로 추적해 스펙의 여유분을 줄일 수 있습니다. 덕분에 브리스톨 릿지의 성능을 더 높였다고 합니다.

라이 어빌리티 추적에서 스펙 여유분을 줄임

표면 온도의 제어와 부팅시 전압 보정

노트북에서 칩 온도가 올라가면 케이스를 통해 열을 방출하면서 PC의 케이스 온도도 상승합니다. 인체에 접촉하는 케이스 부분의 온도가 너무 높아지면 쓰기 불편하기에, 일반적으로 표면 온도가 너무 높이 올라가지 않도록 칩 온도를 제한합니다. 그러나 실제로는 PC를 부팅하고 켠진 얼마 안 된 상태에선 케이스 온도가 낮기에, 제한 온도까지 올라가는 데 시간이 걸립니다.

그래스 브리스톨 릿지는 APU의 전력 관리 프로세서를 사용하여 실제 표면 온도에 따라 제어하는 STAPM (Skin Temperature Aware Power Management)를 수행합니다. 케이스에 넣은 표면 온도 센서를 써서 일정한 온도까지 APU의 CPU와 GPU 클럭을 높여 성능을 향상시키는 구조입니다.

STAPM (Skin Temperature Aware Power Management)

또 브리스톨 릿지는 APU에 전력 공급을 모니터하고 보정하는 Boot time power supply calibration (BTC)를 실시합니다. 이것은 전압 레귤레이터 (VRM)에서의 전력 공급을 정확히 설정해 손실을 줄이는 기능입니다. VRM에서 발생하는 전압은 먼저 APU를 테스트한 후 속도가 정해지면서 설정됩니다. 그러나 실제 시스템에서 VRM, 메인보드, 배선은 모두 시간이 지나면서 열화돼 실제 공급되는 값이 달라질 가능성이 있습니다. 브리스톨 릿지는 부팅할 때 센서 전압을 설정, 그에 따라 전력 공급을 조절합니다.

Boot time power supply calibration (BTC)

AMD는 이처럼 카리조의 다이 설계는 손대지 않고 여러 기술을 결합해 브리스톨 릿지의 성능 향상을 실현했습니다. "트랜지스터가 같고 물리적으로 같은 닺치라 해도, 1년 동안 기술 혁신을 통해 완전히 다른 칩이 됐습니다. 그래서 우리는 이것을 7세대 APU라고 부릅니다ㅏ. 허나 우리 경쟁상대는 새로운 아키텍처를 도입해도 20%밖에 성능을 향상시키지 못했습니다"라고 AMD의 Macri가 말합니다.