AMD가 2세대 라이젠 CPU인 2nd Gen AMD Ryzen Desktop Processor를 발표했습니다. 코드네임은 피나클 릿지(Pinnacle Ridge)로 ZEN+ 코어를 사용합니다. 

 

2세대 라이젠은 라이젠 7과 라이젠 5의 두가지 브랜드에 출시되는데, 라이젠 7 2700X/2700, 라이젠 5 2600X/2600입니다. 성능은 2700X의 최대 클럭이 4.1GHz에서 4.3GHz로 높아지고, 프리미엄 쿨러를 번들에 329달러의 가격으로 시장에 내놓습니다.

 

 

인텔 코어 i7-8700K와 비교해서 성능/가격에서 우위를 내세우는 AMD.

 

 

인텔과 비교하면 AMD는 더 싸고, 쿨러까지 줍니다. 

 

 

플랫폼을 확장하는 2세대 라이젠

 

 

새로운 요소들

 

 

AMD 라이젠 제품군이 모두 2000번으로 전환

 

 

라이젠은 APU 버전으로 2000 시리즈가 나왔는데, 피나클 릿지를 출시하면서 CPU 버전 라이젠도 2000 시리즈가 됐습니다. CPU와 APU를 비롯한 라이젠 2000 시리즈의 공통점은 터보 클럭을 제어하는 프리시전 부스트 2가 새로운 버전이 됐다는 것. CPU를 제어하는 마이크로 컨트롤러를 볼 때 2000 시리즈는 공통점이 있습니다. 

 

그러나 APU 라이젠인 레이븐 릿지와, 2세대 라이젠인 피나클 릿지의 칩은 큰 차이점이 있습니다. 피나클 릿지는 기존의 14nm 공정에서 12nm 공정으로 제조 공정을 바꿔 성능/전력을 향상시켰다는 것입니다. 2세대 라이젠은 AMD의 첫번째 12nm 공정 칩입니다.

 

그리고 젠 CPU 코어 자체의 변화는 거의 없습니다. 캐시 액세스 레이턴시는 줄었으나 내부는 거의 변하지 않았습니다. 이번 2세대 라이젠의 CPU 코어는 젠+지 젠 2가 아닙니다. 추가된 점은 프리시전 부스트 2처럼 CPU 제어 부분이라 보면 됩니다.

 

 

코어 내부의 마이크로 아키텍처는 젠 세대를 유지

 

2세대 라이젠의 특징에 대해 AMD의 Kevin Lensing(Corporate Vice President & General Manager, Client Compute Business Unit Computing and Graphics Business Group, AMD)는 이렇게 설명합니다.

 

"2세대 라이젠의 큰 변화는 프로세스 기술과 펌웨어의 변화로 CPU 마이크로 컨트롤러가 달라졌다는 것입니다. 12nm 공정은 성능과 전력에서 우수합니다. 펌웨어는 많은 부분이 바뀌었습니다. 그러나 아키텍처에선 ZEN 아키텍처의 기본적인 부분이 바뀌지 않았습니다. 그 다음의 ZEN2는 전반적인 구조가 바뀌나 이번은 ZEN+로 아키텍처의 변화는 작습니다. 중요한 개량도 있긴 합니다. 캐시 대기 시간을 줄여 IPC (Instruction-per-Clock)를 향상시켰습니다."

 

실제로 AMD는 2세대 라이젠에서 젠 마이크로 아키텍처에는 거의 손을 대지 않았습니다. 명령 스케줄링이나 버퍼의 향상은 물론, CPU 마이너 체인지에서 자주 보이는 소규모 아키텍처 확장도 없었습니다. 마이크로 아키텍처에 손을 대면 어딘가에 문제가 발생할 가능성이 있으니, 개발 시간의 단축을 최우선으로 생각해 유지했다고 생각할 수도 있습니다. 그런 의미에서 2세대 라이젠의 본질은 제조 공정의 개량입니다. 

 

 

라이젠의 약점이었던 캐시 액세스 대기 시간은 젠+ 코어에서 개선됐습니다. 액세스 사이클을 비교하면 L1 대기 시간이 최대 13%, L2 대기 시간은 최대 34%, CCX의 L3 대기 시간은 16%까지 줄어듭니다. 이 숫자는 대기 시간을 CPU 사이클로 비교한 것이 아니라 지연 시간끼리의 비교입니다. 그러나 지연 사이클에서도 특히 L2의 감소가 현저합니다. L2의 지연 사이클은 17에서 12로 줄었습니다.

 

 

12nm 프로세스와 펌웨어로 터보 부스트가 향상

 

 

젠의 마이너 체인지 버전인 젠+를 사용한 2세대 라이젠은, 12nm 공정으로 성능/전력을 향상시키고 기능도 확장했습니다. 

 

 

 

12nm 공정은 같은 전력에서 성능이 높고, 같은 클럭에선 전력이 줄어듭니다. 최고 클럭은 4.35GHz로 높였고 CPU 전체의 오버클럭도 4.2GHz를 찍었습니다. CPU 코어 부스트 제어는 프리시전 부스트 2가 되면서 2~7코어 부스트가 가능해졌습니다.

 

 

기존의 라이젠과 비교하면 동일 클럭을 구동하기 위해 소모하는 전압이 50mW 떨어졌습니다. 따라서 클럭은 같아도 전력 소모량은 줄어들게 됩니다. 라이젠 7 2700과 1700을 비교하면 소비 전력이 같을 때 성능이 16% 향상하고, 라이젠 5 1060X와 2600X를 비교하면 11% 줄어든다고 합니다. 한걸음 더 나아가 인텔의 14nm 공정과 비교해도 향상된 점이 있습니다.

 

 

2세대 라이젠은 터보 클럭 컨트롤이 대폭 개선됐습니다. 라이젠은 CPU 내부에 전력 소비와 터보 클럭을 제어하는 마이크로 컨트롤러를 탑재했습니다. 2세대 라이젠은 이 마이크로 컨트롤러를 제어하는 펌웨어가 크게 개선됐습니다. 

 

 

라이젠 CPU의 동작 클럭을 부스트하는 프리시전 부스트는 기존의 1000 시리즈 라이젠에서 1/2코어가 활성화된 경우 활성 코어의 클럭을 부스트했습니다. 바꿔 말하면 나머지 3~7코어에선 클럭 부스트가 동작하지 않습니다. 하지만 2세대 라이젠의 프리시전 부스트 2에선 3개 이상의 코어가 활성화됐을 때에도 최대 동작 클럭이 부스트됩니다. 3개 이상의 코어에서 최적의 클럭으로 부스트가 유지되며, 12nm 공정을 조합해 기존보다 클럭이 더 높습니다. 

 

 

라이젠 7 2700Z는 TDP를 기존의 95W에서 105W로 높였습니다. 따라서 모든 코어가 활성화됐을때도 부스트 효과가 있으니 실제 성능은 크게 향상됩니다. 프리시전 부스트 2의 제어 방법 자체는 APU 버전의 라이젠과 같으나, 12nm 프로세스와 플랫폼 개선으로 더 성능을 높인 것이 2세대 라이젠의 프리시전 부스트 2입니다.

 

 

젠 코어는 쿨링 성능에 따라 CPU 클럭을 프리시전 부스트 클럭 이상으로 높이는 XFR(Extended Frequency Range)가 있습니다. 2세대 라이젠에선 이를 확장해 XFR2가 됐습니다. 

 

 

모든 코어가 동작하는 멀티스레드에서도 모든 코어를 부스트합니다.

 

 

2세대 라이젠을 지원하는 글로벌 파운드리의 12nm 공정

 

2세대 라이젠에서 AMD는 12nm 공정을 사용했습니다. 그러나 12nm 피나클 릿지의 다이는 14nm 서밋 릿지의 다이, 다이 크기, 트랜지스터 수와 구성이 비슷합니다. 이건 12nm 프로세스 노드 특유의 사정이 있습니다.

 

 

AMD는 12nm 공정을 14nm 프로세서의 성능/전력 개선 버전으로 사용하고 있습니다. 12nm 프로세스의 또 다른 장점인 스탠다드 셀 라이브러리 전환으로 다이 크기를 줄이는 방법은 사용하지 않습니다. 

 

"우리는 제조 공정 기술의 개선점을 그대로 쓸 수 있었습니다. Fab에서 바뀐 12nm 프로세스로 라이젠을 만들었지만 표준 셀 라이브러리는 바꾸지 않았습니다. 우리 라이브러리의 프로세스 최적화를 수행했을 뿐입니다. 그래서 2세대 라이젠도 다이 크기와 트랜지스터 수는 같습니다."

 

AMD가 사용한 글로벌 파운드리의 12nm 프로세스는 올해 전반기에 리스크 프로덕션을 시작한다고 작년 9월에 발표했습니다. AMD는 12nm 프로세스에서 가장 먼저 본격 양산을 시작했습니다. 이것은 AMD가 글로벌 파운드리의 12nm를 견인하는 파트너임을 의미합니다. 

 

 

사실 글로벌 파운드리는 2개의 12nm 프로세스가 있습니다. 고성능 컴퓨팅을 위한 FinFET 트랜지스터의 12LP 프로세스, IoT에 초점을 맞춘 FD-SOI의 12FDX입니다. 이 두가지 프로세스의 이름은 12nm로 같으나 그 안은 전혀 다릅니다. AMD가 라이젠에 사용한 건 12LP입니다. 일반적으로 제조 공정에 LP가 붙으면 Low Power지만 글로벌 파운드리는 Leading-Performance의 의미로 사용합니다. 저전력이 아닌 고성능 프로세스라는 소리지요. 사실 글로벌 파운드리는 12nm에 자동차, RF, 아날로그에 초점을 맞춘 기능을 추가한다고 발표해, 성능과 저전력을 모두 잡으려 합니다.

 

 

12nm 프로세스의 실태

 

글로벌 파운드리는 12LP 프로세스를 발표하면서 14nm 프로세스 대비 최대 15%의 회로 밀도 향상과 10%의 성능 향상을 강조했습니다. 또한 12LP 프로세스를 14LPP 프로세스 플랫폼에서 빌드했다고 설명합니다. 실제로 12LP의 기본적인 크기는 14LPP와 같습니다. 14LPP의 개선판 공정에 12nm 수준으로 회로 밀도를 높일 수 있는 옵션을 넣은 것이 12LP입니다.

 

 

이는 TSMC의 12nm 프로세스가 자사 16FFC 프로세스의 개선판인 것과 비슷합니다. TSMC의 12nm 프로세스는 터보 부스트로 성능/전력을 향상할 수 있습니다. 뿐만 아니라 TSMC는 표준 셀 라이브러리에 셀 높이가 낮은 6트랙 셀을 준비, 셀 설계에서 셀 면적을 줄이는 Design-Technology Co-Optimization(DTCO)을 결합해 실질적으로 회로 밀도를 높이려 합니다. 더 작은 표준 셀과 DTCO를 조합해 12nm 수준으로 회로 밀도를 높일 수 있다는 게 12nm라는 이름이 붙은 이유입니다. 

 

하지만 실제로 고성능 칩에 셀 높이가 낮은 스탠더드 셀을 쓰긴 어렵습니다. NVIDIA도 TSMC의 12nm 공정을 사용했으나 6T가 아닌 7.5T 셀을 사용합니다. 이 경우 단순히 16/14nm 공정의 개선판일 뿐이며, 성능/전력의 향상 버전이 됩니다. AMD 2세대 라이젠의 글로벌 파운드리 12nm 프로세스도 이와 거의 비슷하다고 할 수 있습니다. 

 

정리하면 글로벌 파운드리와 TSMC의 12nm라는 FinFET 공정에는 두가지 특징이 있습니다. 하나는 16/14nm 프로세스의 개선된 버전이라는 것. 또 하나는 옵션인 6T 스탠더드 셀과 DTCO를 결합해 다이를 줄일 수 있다는 것입니다. 2세대 라이젠은 이 중에서  성능/전력 향상만 뽑아 쓰고 있습니다. 

 

12LP는 14LPP를 기반으로 하기에 IP의 물리적인 설계 변경도 적고, 이미 성숙된 14nm 프로세스 기반이라 수율도 안정적입니다. AMD는 12LP 공정을 사용해 액침 7nm 공정을 도입하는 젠2 이전까지의 간극을 매꿨습니다. 이제 다음에는 진정한 프로세스 변경과 아키텍처 확장이란 큰 과제가 남아 있습니다.