모바일 기기 진화를 가로막는 공정 기술과 메모리 대역

이번 가을 이후에 등장한 스마트폰이나 태블릿에서 내년(2013년) 모바일 기기의 진화를 추정할 수 있습니다. 스마트폰이나 태블릿은 치열한 성능 경쟁을 계속하며 급격하게 진화하고 있습니다.

그러나 진화를 가로막는 것도 있습니다. 가장 큰 것은 핵심이 되는 모바일 전용 SoC(System on a Chip)을 제조하는 프로세스 기술과 SoC에 데이터를 송신하기 위한 메모리 대역입니다. 이 두가지 요소의 변화가 스마트폰이나 태블릿의 진화를 크게 좌우합니다. 여기에 더해서 CPU 코어와GPU 코어의 아키텍쳐의 변화도 진화를 결정하는 중요 요소가 됩니다.

금년(2012년)가을의 스마트폰&태블릿의 큰 변화는 애플의 라인 업 업데이트입니다. 이것은 애플의 모바일 SoC를 제조하는 삼성의 프로세스 기술이 45nm부터 32나노로 미세화하며 실현되었습니다. 32nm 프로세스에 의해 같은 크기의 다이에 많은 트랜지스터를 탑재할 수 있게 되어 SoC의 진화가 완성되었습니다.

아이패드용 SoC를 보면 4세대 아이패드에 들어간 A6X는 매우 뛰어난 성능을 자랑합니다. 코어의 구성은 CPU 코어가 2개, GPU 코어가 4개로 3세대 아이패드의 A5X와 다르지 않지만, 코어의 내용이 큰폭으로 진화했습니다.

A6X의 CPU 코어는 기존의 Cortex-A9 코어에서 애플이 인수한 CPU 설계 벤처기업인 P.A. Semi에서 개발했다고 볼 수 있는  새 코어(코드네임Swift)로 바뀌었습니다. GPU 코어는 Imagination Technologies의 PowerVR SGX 543MP4에서 PowerVR SGX 554MP4로 세대가 바뀌었습니다. 그 때문에 CPU의 싱글 스레드 퍼포먼스가 크게 성장해 GPU의 연산 퍼포먼스도 배로 늘었습니다.

이러한 강화에도 불구하고 공정 미세화에 의해 SoC의 다이 크기는 작아졌습니다. A6X의 해석을 담당한 Chipworks의 발표를 보면 A6X의 다이 크기는 약 123평방mm로, A5X의 160평방mm와 비교하면 3/4의 크기로 줄어들었습니다. 이 다이 크기는 아이패드 2의 A5와 거의 동급 크기이며, SoC의 크기만 보면 1세대로 돌아온 셈입니다.

모바일 SoC 다이의 변화

애플이 3세대 아이패드를 내놓고 나서 불과 반년 만에 4세대 제품을 출시한 이유는, 모바일로 쓰기에는 너무 커진 A5X에서 벗어나, 애플이 적절하다고 생각하는 크기의 A6X로 되돌리기 위해였다고 추측할 수 있습니다. 또 애플이 태블릿 전용으로 적절하다고 생각하는 칩 크기가 120평방mm 전후라고 추측할 수도 있습니다.

균형이 무너진 A6X세대의 성능 대역

애플은 프로세스의 미세화로 연산 퍼포먼스를 끌어올렸습니다. 그러나 애플의 SoC 진화를 보다 자세히 보면 A6X로 진화하면서 약간 균형이 무너졌음을 알 수 있습니다. 아이패드와 비교하면 애플은 세대마다 칩의 연산 퍼포먼스를 끌어올리고, 여기에 맞춰 메모리 대역도 높여 왔습니다.

2010년의 초기 아이패드가 쓴 A4는 싱글 코어 Cortex-A8, 싱글 구성의 PowerVR SGX535를 채용했습니다. 메모리 인터페이스는 x64의 LPDDR입니다. 이것이 2011년의 아이패드 2에서는 A5로 바뀝니다. 듀얼 코어 Cortex-A9에 듀얼 구성의 PowerVR 543MP2를 쓴 것입니다. CPU 코어 자체의 퍼포먼스를 올리는 것과 동시에 듀얼 코어 구성으로 했고, GPU 코어도 쉐이더 프로세서의 수를 늘리는 것과 동시에 듀얼 구성으로 했습니다. 메모리는 x64의 LPDDR2로 바꿔 메모리 대역을 배로 늘렸습니다.

애플 Ax 프로세서의 변화

한걸음 더 나아가 3세대 아이패드에선 A5X가 CPU 코어의 구성은 그대로 두면서 GPU 코어를 쿼드 구성의 SGX 543MP4로 바꾸고 쉐이더 연산 유닛을 한층 더 늘렸습니다. 그리고 메모리 인터페이스는 LPDDR2를 유지하면서 x128 구성으로 늘려 대역을 배로 만들었습니다. 이것 덕분에 디스플레이를 2048×1536의 4배 해상도로 끌어올리는 것이 가능해졌습니다.

이것이 4세대 아이패드에서 어떻게 되었냐 하면 A6X는 CPU 코어의 퍼포먼스를 끌어올려 GPU코어를 쿼드 구성의 SGX 554MP4로 만들어 쉐이더 연산 유닛 개수를 한층 더 늘렸습니다. 하지만 메모리 인터페이스는 기존의 128-bit를 유지하고 있습니다.

4세대 아이패드에 들어간 DRAM 패키지는 엘피다의 B4064B3MA-1D-F입니다. 엘피다의 파트 넘버 규칙을 보면 제일 앞의 B가 DDR2 모바일RAM, 그 다음의 40이 패키지 용량을 가리켜 4G-bit임을 알 수 있습니다. 그 다음의 64는 DRAM의 구성을 나타내는데 x64 패키지임을 추측할 수 있습니다. 2개 칩의 적층 패키지이며 x32의 표준 LPDDR2 다이를 2개 사용한 x64 패키지라 볼 수 있습니다. 또 -1D 부분은 일반적으로 속도를 나타내며, 3세대 아이패드는 이 부분이 8D니까 800Mtps의 메모리 전송 레이트가 나오는 것임을 알 수 있습니다.

그 때문에 4세대 아이패드에 들어간 1D를 보면 1066Mtps임을 알 수 있습니다. 이 점은 A6를 스는 아이폰 5도 마찬가지입니다. DRAM 제조사는 LPDDR2의 추가 규격인 1066Mtps 제품을 올해 상반기부터 양산 출시해 애플의 공급량도 댈 수 있게 됐습니다.

내년은 메모리 대역이 프로세서를 따라 잡게 됨

이렇게 보면 4세대 아이패드는 3세대에서 연산 퍼포먼스를 늘렸음에도 불구하고 메모리 대역은 33% 정도만 올랐음을 알 수 있습니다. 즉 프로세스 미세화로 칩 내부 성능은 늘렸지만, 칩 외부와 연결하는 성능은 2배로 늘어나지 않았습니다. x128라는 기존의 메모리 인터페이스의 구성은 모바일 SoC 치고는 넓지만, 제조 원가나 소비 전력, 장착 크기 때문에 더 이상 인터페이스를 끌어올리는 것은 어렵습니다.

그러나 모바일 DRAM은 현재 2년마다 2배 주기로 메모리 대역을 끌어올리고 있습니다. 그 때문에 약 2년마다 2배에 해당하는 칩 트랜지스터 수 증가에 알맞는 주기로 메모리 대역이 확대됩니다. 삼성은 속도를 배로 늘린 LPDDR3의 양산 출시를 시작하면서 삼성제 넥서스 10에 사용된다는 보도도 있습니다. 그러나 애플의 물량에 맞추기엔 늦은 것 같습니다.

덧붙여서 배터리 용량에 여유가 있는 태블릿에서는 일반 DDR3의 저전력 버전인 DDR3L을 사용하는 경우도 있습니다. 그 경우는 대기 전력이 줄어들게 되지만 퍼포먼스와 제조 원가 부분에서 유리합니다. 그러나 애플은 그 방법을 쓰진 않았습니다.

하지만 내년이 되면 LPDDR3은 급격하게 양산 물량이 쏟아집니다. 그 덕분에 2013년의 스마트폰이나 태블릿은 일단 고급 제품부터 LPDDR3으로 옮겨져 갈 것입니다. LPDDR3는 내년에 1600Mtps 전송율까지가 제품화되어 2014년에는 2133Mtps까지 고속화된 LPDDR3E도 등장합니다. LPDDR3E의 규격화도 이미 끝난 상황입니다.

저전력 메모리 대역폭의 로드맵

그 때문에 올해의 주류였던 800~1066Mtps의 LPDDR2와 비교하면, 내년의 메모리 대역은 1.5배~2배로 끌어 올려집니다. 애플이 x128 인터페이스를 계속 사용한다면 메모리 대역은 25.6GB/sec에 이를 것입니다. A5X의 12.8GB/sec와 비교하면 배가 되는 것입니다. 데스크탑 PC의 메인 스트림의 듀얼 채널 DDR3-1600과 같은 메모리 대역입니다. 즉, 메인 스트림 PC를 따라 잡게 됩니다.

다른 제조사도 새 메모리의 혜택을 같이 받아 메인 스트림의 x64 인터페이스로 12.8GB/sec가 일반적인 구성이 될 것입니다. LPDDR3의 속도가 배로 늘어나고 터미네이터를 더해 속도를 늘리기 때문에, 그 댓가로 전력 소비는 늘어나지만 노트북 이상으로 고해상도화하는 디스플레이에 알맞는 대역을 간신히 얻을 수 있게 됩니다. 큰 범위로 보면 올해는 프로세스 미세화로 칩의 퍼포먼스가 오르게 되며, 내년은 새 메모리로 메모리 대역이 오르게 됩니다.

2013년에 28나노 프로세스로 이행하는 삼성 파운드리

TSMC가 제조하는 퀄컴이나 NVIDIA등의 SoC는 올해 40nm프로세스에서 28nm프로세스로 이행을 시작합니다. 28nm 프로세스의 제조 용량이 늘어나면서 내년에는 28nm가 주류가 될 것입니다. 대신 애플은 현재 제조를 위탁한 삼성의 32nm로 라인업을 정돈합니다.

삼성은 현재 32nm 프로세스로부터 28nm의 하프 세대 미세화도 로드맵에 넣었습니다. 실제로 삼성은 2013년 2월의 반도체 컨퍼런스 ISSCC(IEEE International Solid-State Circuits Conference)에서 28nm 프로세스의 모바일 SoC를 발표할 예정입니다. 그 때문에 애플이 32/28nm 프로세스 세대에서 삼성을 계속 사용한다면, Ax 시리즈 SoC도 28nm로 바뀔 가능성이 높습니다.

삼성이 순조롭게 28nm를 시작할 수 있다면 애플 칩의 이행은 단순하게 말해 아래 그림처럼 1년 안에 32nm에서 28nm로 세대가 바뀌게 됩니다. 언뜻 보면 알 수 있겠지만 2010년부터 2012년 전반까지는 45nm 프로세스를 계속 쓰면서 칩을 억지로 바꾼 데 비해, 올해부터는 1년마다 프로세스의 세대가 바뀌고 여기에 맞춰 애플 Ax도 진화하게 됩니다.

애플 Ax 시리즈와 아이폰/아이패드의 관계

다른 모바일 SoC 제조사는 올해 중반에 40nm에서 28nm로 이행을 시작했습니다. 그에 비해 애플은 같은 시기에 45nm부터 32nm로 바뀌고, 내년에는 28nm가 되는 스케줄입니다.

다만 이 이야기는 삼성의 프로세스 시작이 잘 되가고, 28nm나 그 이후 세대가 충분한 수율로 양산할 수 있게 된다고 하는 전제 조건에서 이야기입니다. 현재는 이 점이 매우 어렵고, 예측하기도 어렵습니다. 아래는 인텔과 TSMC, 글로벌 파운드리의 프로세스 로드맵으로, 삼성은 글로벌 파운드리와 같이 커먼 플랫폼에서 프로세스 공동 개발을 하고 있습니다.

프로세서 기술의 로드맵

덧붙여서 삼성의 로드맵에서는 그 다음인 20nm 프로세스를 그 후에 앞두고 있으며, 그 다음에는 3D 트랜지스터 FinFET의 14nm 프로세스가 있습니다. 다만 애플은 28nm부터 다른 파운드리로 옮길 가능성도 높습니다. 프로세스 기술만 보면 애플에 있어 가장 매력적인 것이 인텔의 Fab이지만, 인텔은 다른 회사에 파운드리 서비스를 크게 하지 않으니 진입 장벽은 높습니다.