샌프란시스코 가을 IDF 2010에서 인텔은 차세대 프로세서 아키텍처인 샌디 브릿지(줄여서 SNB)의 기술 특징에 대해 소개하고, 여러 웨이퍼와 칩의 사진을 공개했습니다. 여기서는 샌디 브릿지 아키텍처에 대해 더 자세히 알아 보도록 하겠습니다.

 

샌디 브릿지는 인텔이 2011년에 출시하는 중요한 아키텍처의 혁신으로, 공식적으로는 2011년 제 2세대 인텔 코어 프로세서 패밀리라고 부르고 있습니다. 주요 공략 대상은 퍼포먼스와 메인스트림급 시장이며 고급형 시장은 잠시 걸프타운 코어 i7 900 시리즈 6코어 프로세서에게 맡겨두고, 저가형은 내년 말이나 2012년이 되어야 업그레이드가 될 것입니다.

 

 

 

샌디 브릿지는 2011년 초에 출시되며, 데스크탑과 노트북의 아키텍처는 기본적으로 같습니다. 구체적인 모델과 스펙은 다음과 같습니다.

 

 

 

 

왼쪽부터 오른쪽으로, 네할렘, 웨스트메어, 샌디 브릿지(위쪽은 히트 스프레드를 씌운 샌디 브릿지)

 

프로세서, 칩셋, 메인보드, 쿨러가 모두 바뀝니다. 칩셋은 6 시리즈로 데스크탑 제품은 P67, H67, H61 등이 있습니다. 2개의 SATA 6Gbps 포트를 네이티브 지원하지만 USB 3.0은 네이티브 지원하지 않아 여전히 서드파티 컨트롤러가 필요합니다. 그 외 PCI-E 2.0 5GT/s의 고속 버스를 지원합니다.

 

 

6 시리즈 메인보드의 소켓은 LGA 1155이며 기존의 LGA 1156과 호환되지 않습니다.

 

 

레퍼런스 쿨러도 CPU의 전력 사용량이 줄어들면서 그 두께가 매우 얇아졌습니다. 특히 45W 저전력 버전의 방열판은 기존 버전의 절반 수준입니다.

 

 

 

1. 프론트 엔드

 

큰 의미에서 본다면 샌디 브릿지의 아키텍처는 한번의 진화일 뿐입니다. 하지만 네할렘/웨스트메어의 트랜지스터 변화의 규모를 보면 이것은 혁명이라 할 수 있습니다.

 

코어 2 시리즈 프로세서에는 순환 스트림 검사기(루프 스트림 디텍터)라는 로직 모듈이 도입되었습니다. CPU가 실행하는 소프트웨어 순환을 검사하여 분기 예측, 프리패치/디코드 엔진을 끄고, 나중에 자신의 캐시에 있는 명령어를 Micro-ops에 보내 실행하는 유닛입니다. 이런 종류의 방법은 순환 실행을 할때 프론트 엔드를 꺼서 전력 사용량을 줄이고 성능을 개선시킵니다.

 

샌디 브릿지에서는 micro-ops의 캐시를 더 늘려 명령어 디코드를 할때 임시 저장하는 용도로 사용하고 있습니다. 여기에는 엄격한 계산법이 없으며 오직 디코딩된 명령어가 캐시에 저장되는 것입니다. 프리패치 하드웨어가 새로운 명령어를 읽을 때 먼저 micro-ops 캐시에 있는지를 확인하고, 만약 캐시에 여분의 파이프라인 서비스가 존재한다면 프론트 엔드가 꺼지게 됩니다. 디코딩 하드웨어는 x86 파이프라인에서 매우 복잡한 부분이며 이를 끄면 대량의 전력 사용량을 줄일 수 있습니다. 이런 기술은 아톰 프로세서 아키텍처에서 사용되고 있습니다.

 

이 캐시는 직접 투영되며, 대략 1.5K의 micro-ops를 저장, 6KB의 명령어 캐시에 해당합니다. 이것은 L1 명령어 캐시 내부에 존재하며 대다수 어플리케이션의 명령어 히트 레이트를 80% 좌우까지 끌어올릴 뿐만 아니라, 대역폭도 기존의 L1 명령어 캐시보다 더 빠르고 더 안정적입니다. 진정한 L1 데이터와 명령어 캐시는 변한 것이 없으며 여전히 32KB씩으로 총 64KB입니다.

 

이 부분은 펜티엄 4의 트레이싱(추적) 캐시와 비슷하지만 제일 큰 차이점은 이것이 트레이싱 캐시가 아니며 하나의 명령어 캐시일 뿐이라는 것입니다. micro-ops 명령어를 저장하지 x86 명령어(macor-ops)를 저장하진 않습니다.

 

 

이와 동시에 인텔은 완전히 새로운 분기 예측 유닛(BPU)를 도입하여, 정확도를 더 높였습니다. 여기서는 3가지 방면에서 혁신이 이루어졌습니다.

 

1. 표준 BBU는 모두 2비트 예측기로서 매개 분기에서 모두 관련된 신호(강/약)을 표기하게 됩니다. 인텔은 이런 듀얼 모드 분기 예측기에서 예측해낸 분기 값이 대부분 믿을 수 있다는걸 발견하였습니다. 분기 히스토리 테이블에 나온 동일한 값들은 대응되는 여러 분기가 있으며, 이를 통하여 분기 예측의 정화곧를 높여줬습니다.

 

2. 분기 오브젝트-목표-도 새로 만들어졌습니다. 지금까지의 아키텍처에서 분기 오브젝트의 크기는 고정되어 있었지만 대다수 오브제트의 값은 상대적으로 비슷했습니다. 샌디 브릿지에서는 여러개듸 다양한 분기 오브젝트 크기를 정할 수 있게 되어, 낭비되는 공간을 더 줄이고 CPU가 더 많은 오브젝트를 추적하고 예측 속도를 높일 수 있게 되었습니다.

 

3. 분기 예측의 정확도를 높이기 위한 전통적인 방법은 더 많은 히스토리를 사용하는 것입니다. 하지만 이것은 길이가 긴 명령어의 특정 유형에서만 유효합니다. 샌디 브릿지는 분기를 명령어의 길이에 따라 히스토리를 나눠 분기 예측의 정확도을 상승시켰습니다. 

 

 

 

2. 물리 레지스터 파일(PRF)와 실행 개선 

 

AMD의 불도저, 밥캣, 인텔 샌디 브릿지는 모두 물리 레지스터 파일을 사용합니다. 코어 2, 네할렘 아키텍처에서 모든 명령어는 각각의 조작 전에 복사본이 필요하며, 이것은 아웃 오브 오더 하드웨어(순서 조절기/순서 배열 캐시/배열)에서 그 필요성이 매우 커져, 명령어와 관련 데이터를 저장하게 됐습니다. 코어 듀오 시절에는 80비트였고 SSE 명령어가 추가된 후에는 128비트로 늘어났으며, 지금(샌디 브릿지)에서 AVX 명령어 셋트가 나오면서 256비트로 늘어나게 됐습니다.

 

PRF 레지스터 파일에 저장되는 micro-ops의 조작 수는  micro-ops가 아웃 오브 오더 엔진에 로드되어 조작되는 수일 뿐이며 데이터 그 자체가 아닙니다. 이렇게 하여 아웃 오브 오더 하드웨어의 전력 사용량(대량의 데이터를 옳기는 것은 전력 사용량이 큼)을 크게 낮췄으며, 파이프라인이 차지하는 코어 면적도 줄어들게 됐습니다. 데이터 스트림 모니터도 1/3 정도 늘어났습니다.

 

코어 면적을 줄이게 된 것은 AVX 명령어(샌디 브릿지의 제일 주요한 혁신점중 하나)가 양호한 성능을 필요한 곳에서 낼 수 있음을 보장하게 되면서 이루어졌습니다. 코어 면적을 최소화한 댓가로 인텔은 모든 SIMD 유닛을 256비트로 옳기게 되었습니다.

 

AVX는 256비트 오퍼레이션을 지원하며, 상당한 트랜지스터와 코어 크기를 소모하고 있지만, PRF에서 아웃 오브 오더 캐시를 사용하면서 높은 출력량의 부동 소수점 엔진을 몬족할 수 있게 되었습니다.

 

 

 

네할렘 아키텍처에는 3개의 실행 포트와 3개의 실행 유닛 스택이 있습니다.

 

 

샌디 브릿지는 256비트 AVX 명령어에서 128비트 정수 SIMD 데이터 라우트를 허용합니다. 이렇게 하여 코어 면적을 최소화하면서 부동소수점 출력량을 두배로 늘릴 수 있게 되어, 각각의 클럭 사이클마다 2개의 256비트 AVX 오퍼레이션을 할 수 있습니다. 그 밖에 실행 하드웨어의 경로-라우트-에는 128비트 파워 게이트 컨트롤리 있어, 표준 128비트 SSE 조작이 256비트 확장으로 인해 전력 사용량이 늘어나진 않습니다.

 

AMD의 불도저 아키텍처는 AVX와는 다릅니다. 2개의 128비트 SSE 라우트를 합쳐 256비트 AVX 조작을 만들기 때문에, 8코어(4개의 모듈) 불도저의 256비트 AVX 출력량은 쿼드코어 샌디 브릿지의 절반밖에 되지 않습니다. 하지만 실제 영향은 어플리케이션이 어떤 AVX를 사용하느냐에 따라 달라집니다.

 

 

샌디 브릿지의 최대 출력 부동 소수점 성능은 배로 늘어나게 되었고, 이것은 로드/스토어 유닛에 더 높은 성능을 요구하게 됐습니다. 네할렘/웨스터메어에서는 3개의 로드/스토어 포트를 사용하여 데이터의 주소를 읽고, 저장하게 됩니다.

 

 

샌디 브릿지 아키텍처의 로드/스토어 어드레스 포트는 대칭됩니다. 모두 어드레스를 저장하거나 불러들일 수 있으며, 이 때문데 애역폭이 두배가 됩니다.

 

 

샌디 브릿지의 정수 유닛도 개선되었지만 이 부분은 비교적 한정되어 있습니다. ADC의 명령어 출력량은 배로 늘어났고, 곱셈 연산은 25% 빨라졌습니다.

 

 

 

3. 링버스와 L3 캐시

 

네할렘/웨스트메어의 모든 코어들과 L3 캐시는 단독으로 연결되어 있으며, 대략 1000여개의 연결선이 필요합니다. 이런 방법의 단점은 L3 캐시의 액세스가 빈번하게 발생할 경우 성능이 그리 좋지 못하다는 것입니다.

 

샌디 브릿지는 거기에 GPU 그래픽 코어, 비디오 인코더 엔진을 내장하고 이것들이 전부 L3 캐시를 공유하고 있습니다. 만약 인텔이 이전의 방법을 그대로 사용한다면 2000여개의 연결선을 늘려야 합니다. 따라서 서버용 버전인 네할렘-EX나 웨스트메어-EX처럼 링버스(Ring Bus)를 도입하여, 모든 코어, L3 캐시(LLC), 내장 그래픽 코어, 멀티미디어 엔진, 시스템 에이전트가 링버스를 통해 연결되며, 이 생김새는 플랫홈과 같습니다. 

 

 

 

이 링버스는 4개의 독립된 링으로 구성되어 있습니다. 각각 데이터 링(DT), 리퀘스트 링(QT), 응답 링(acknowledge ring-RSP), 스눕 링(snoop ring-SNP)입니다. 이들 링의 플랫홈은 모든 클럭 사이클마다 32바이트 데이터를 받을 수 있을 뿐만 아니라, 링의 엑세스 경로를 자신이 직접 선택하여 제일 짦은 거리로 가서 레이턴시를 줄일 수 있습니다. 코어의 수와 캐시의 용량이 늘어날수록 캐시 대역폭이 같이 늘어나게 되며, 이런 방법은 멀티 코어의 확장과 더 큰 서버 클러스터를 위한 좋은 방법입니다.

 

이렇게 샌디 브릿지 모든 코어의 L3 캐시 대역폭은 총 96GB/s로 웨스트메어보다 더 높으며, 쿼드코어 시스템은 총 384GB/s가 나오게 됩니다. 왜냐하면 각각의 코어가 모두 링에 하나의 연결 포인트를 가지고 있기 때문입니다. L3 캐시의 레이턴시도 36개 사이클에서 대략 26~31개 사이클로 줄어들었습니다. 예전부터 추측되었던 것이지만 이번에 확실한 숫자가 나온 것입니다. L3 캐시는 현재 여러 구역으로 나뉘어져 있어 각각의 CPU 코어에 대응되며, 모두 링버스에서 자신들의 포인트와 연결되어 완전한 캐시 파이프라인을 구성하게 됩니다. 이렇게 각각의 코어는 전부의 L3 캐시를 엑세스 할 수 있으며 오직 자신의 것이 아닌 L3 캐시를 엑세스할때 레이턴시만 좀 늘어날 뿐입니다. 이전의 L3 캐시는 오직 하나의 캐시 파이프라인만 있어서 코어의 요청이 반드시 파이프라인을 통과해야 했었는데, 지금은 상당 수준 사용이 용이해진 것입니다. 예전과 다른 것은 L3 캐시의 크럭이 코어 클럭과 동기화되어 속도가 더 빨라졌지만, 단점은 L3 캐시도 코어의 클럭에 따라 클럭이 조절된다는 것입니다. 만약 CPU가 다운클럭되면 GPU가 L3 캐시를 엑세스할때 속도가 많이 느려질 것입니다.

 

 

 

4. 시스템 에이전트

 

링버스와 L3 캐시의 변화를 거쳐, 언코어의 개념도 여전히 존재하지만 인텔은 이를 시스템 에이전트(System Agent)라고 이름을 바꿨습니다. 기본적으로는 기존의 노스브릿지 칩과 기능이 같습니다.

 

PCI-E 컨트롤러는 16개의 PCI-E 2.0 채널이 있으며, 싱글 슬롯 PCI-E x16이나 2개의 PCI-E x8 슬롯을 지원합니다.

 

새로 설계한 듀얼 채널 DDR3 메모리 컨트롤러는 메모리 레이턴시를 정상 수준으로 회복시켰습니다(웨스트메어는 메모리 컨트롤러를 CPU에서 빼서 GPU에 넣음)

 

그 외에 DMI 버스, 디스플레이 엔진, 전원 관리 유닛(PCU)

 

시스템 에이전트의 클럭은 다른 부분보다 낮아야 하며, 자신만의 독립된 전원 레벨을 가지고 있습니다.

 

 

 

5. 내장 그래픽 코어

 

인텔의 내장 그래픽은 사람들에게 비웃음의 대상이었지만 지금은 다릅니다. 샌디 브릿지의 CPU 성능은 10~30% 상승하였고, 이번에 6세대로 진화된 GPU 성능은 몇배가 되었습니다.

 

 

웨스트메어는 비록 내장 그래픽이 있지만 CPU와 듀얼 코어 패키징이며 GPU는 별도의 45나노 공정을 사용했고, 더 많은 쉐이더 하드웨어, 더 높은 클럭으로 성능을 개선하였습니다. 샌디 브릿지는 CPU와 GPU를 하나의 코어로 묶었고 전부 32나노 공정에 IPC(명령어/클럭)을 높였습니다.

 

샌디 브릿지 GPU는 자신만의 전력 관리와 클럭 영역을 가지고 있으며, 터보 부스트를 지원하여 독립적으로 클럭을 높이거나 낮출 수 있고 L3 캐시를 공유합니다. 그래픽카드 드라이버는 L3 캐시의 권한을 조절할 수 있으며 심지어 GPU가 얼마나 많은 캐시를 사용할지도 제한할 수 있습니다. 그래픽 드라이버가 캐시에 저장되면 '느린' 시스템 메모리까지 가는게 아니라 캐시에서 바로 데이터를 사용하여 성능을 높일 수 있고 전력 사용량도 대폭 줄어들게 됐습니다.

 

하지만 이렇게 하는 것도 그렇게 간단한건 아닙니다. NVIDIA GF100 코어를 디자인하는데 큰 노력이 들어간 것처럼, 샌디 브릿지의 내장 그래픽에도 많은 공을 들였으며, 새로운 설계를 사용하였습니다.

 

인텔의 외장 그래픽 솔루션이었던 라라비를 봅시다. 라라비에서 제일 중요한 것은 광범위하고 전면적인 프로그래머블 하드웨어(텍스처 하드웨어 제외)이며, 샌디 브릿지는 고정 기능의 하드웨어를 사용하고 있고, 고정 특징과 하드웨어 유닛을 서로 대응하고 있습니다. 이렇게 하여 장점은 성능, 전력 사용량, 코어의 면적에서 최적화를 할 수 있다는 것이지만, 손실은 탄력적인 사용이 부족하다는 것입니다. 물론, 인텔의 중심은 CPU이니 GPU가 지나치게 강할 필요는 없으며, 이것은 NVIDIA의 설계 방식과 완전히 상반되는 것입니다.

 

 

프로그래머블 쉐이더 하드웨어는 EU라고 불립니다. 쉐이더, 코어 실행 유닛 등이 포함되며 2개 스레드에서 발사된 2개의 명령어를 처리할 수 있습니다. 내부 ISA 영사와 절대 다수의 다이렉트 X 10 API 명령어는 1대 1 대응되며, 아키텍처는 CISC와 매우 비슷하여, EU의 대역을 넓히는데 큰 도움이 되며 IPC도 현저하게 상승합니다.

 

추상 수학 연산은 EU 내부 하드웨어에서 책임지며 성능은 동기화하여 상승합니다. 인텔은 사인/코사인 같은 조작의 속도가 지금의 HD 그래픽스보다 몇개 수량급으로 더 늘어났다고 하였습니다. 인텔은 이전의 그래픽 아키텍처에서 레지스터 파일을 모두 새로 분배했습니다. 만약 한개 스레드에서 필요로 하는 레지스터가 비교적 작다면 곱셈/나눗셈 레지스터는 이를 다른 스레드에 분배하게 합니다. 이렇게 하면 비록 코어 면적은 절약할 수 있지만 성능에는 제한이 있으며, 많은 경우 스레드를 그려 넣을 레지스터가 없는 난처한 경우에 빠지게 됩니다. 칩셋에 그래픽을 내장했던 시절에는 각각의 스레드가 평균 64개 레지스터를 사용하며 웨스트메어 HD 그래픽스에서는 평균 80개로 늘었고, 샌디 브릿지에서는 모든 스레드가 120개를 고정하여 사용합니다.

 

이런 개선을 통하여 샌디 브릿지는 모든 EU의 명령 처리량이 기존의 HD 그래픽스보다 한배 늘어나게 됐습니다.

 

 

샌디 브릿지 내장의 GPU는 2가지 버전이 있으며, 각각 6개와 12개의 EU가 있습니다. 처음 발표되는 모바일 버전은 전부 12개 EU를 내장하고, 데스크탑 버전은 모델에 따라서 2가지로 구분되는데 최고급형은 12개, 보급형은 6개를 사용하게 됩니다. EU의 출력량이 한배 늘어나고, 실행 클럭이 더 높으며, L3 캐시를 공유하는 등의 특징 때문에 오직 6개의 EU만 있어도 상당히 만족할만한 성능이 나올 것입니다.

 

아래는 모바일 버전 샌디 브릿지와 지포스 310M에스 스타 크래프트 2를 실행한 것입니다.

 

 

 

6. 멀티미디어 엔진

 

GPU 그래픽 코어 이외에 샌디 브릿지는 멀티미디어 프로세서를 내장하여 영상 인코딩과 디코딩을 담당하게 했습니다.

 

새로운 하드웨어 가속 디코딩 엔진에서는 전테 비디오 파이프라인이 모두 고정 기능 유닛을 통과하여 디코딩을 하도록 하였는데 이것은 지금과 완전히 반대되는 것입니다. 인텔은 샌디 브릿지에서 동영상을 재생할때 사용하는 전력 사용량이 지금의 절반으로 줄었다고 하였습니다.

 

 

비디오 인코딩 엔진은 완전히 새로 만들어졌습니다. 구체적인 디테일은 발표되지 않았지만, 인텔이 현장에서 전시한 3분짜리 1080p 30MBps의 HD 영상을 640x360의 아이폰용 규격으로 바꾸는 데에는 전체 과정이 14초밖에 걸리지 않았고, 전환 속도도 최고 400Fps에 달했습니다. 제일 중요한 것은 이 모든 것이 대략 3 평방 밀리미터 정도의 코어에서 이루어졌다는 것입니다.

 

인텔과 소프트웨어 회사들은 긴밀한 협조를 하여 이런 동영상 컨버터 기술을 빠르게 보급할 것으로 기대됩니다.

 

 

 

   

 

7. 차세대 터보 부스트

 

린필드 코어 i7/i5에서 처음으로 사용된 동적 가속 기술인 터보 부스트는 사용하지 않는 코어를 끄거나 속도를 낮추고, 사용하는 코어의 클럭을 높여서 속도를 높이는 기술로서, 만약 TDP 95W인 쿼드코어 프로세서가 있다면 3개의 코어를 완전히 끄고 마지막 코어의 속도를 TDP 95W 내에서 대폭  높이게 됩니다.

 

지금의 프로세서들은 일단 터부 부스트가 시작되면 TDP의 제한까지 도달하게 되지만, 사실은 그렇지도 않습니다. CPU가 열을 받으면 받을수록 일정 시간 내에 발열량과 TDP의 차이가 커질 수밖에 없습니다.

 

샌디 브릿지는 이런 특징을 허용하여, 단시간 내에 활성화된 코어가 TDP 이상까지 도달했을 경우  유닛 관리 유닛(PCU)이 천천히 클럭을 내리도록 하였습니다. PCU는 아이들 시에 남아있는 발열을 측정하여 시스템이 부하가 걸린 후에 이를 적절히 이용하도록 하였습니다. CPU가 아이들 상태에서 보낸 시간이 길면 길수록 TDP를 넘어설 수 있는 시간도 늘어나게 되지만, 이것이 25초를 넘진 않습니다.

 

하지만 안정성 부분에서 PCU는 어떤 제한도 넘어서도록 허용하진 않습니다.

 

 

 

예전에 알려진대로, 샌디 브릿지의 GPU는 독립적인 가속이 가능하며 최고 1.35GHz까지 상승합니다. 만약 소프트웨어가 더 많은 CPU 자원을 필요로 한다면 CPU와 GPU를 동시에 가속하고, 그 반대도 가능합니다.

 

 

 

결론:

 

각종 원인 때문에 하드웨어 제조사는 신제품 발표 전에 아키텍처와 성능에 대한 많은 정보를 공개하는 것을 꺼리고 있습니다. 하지만 이번에 샌디 브릿지가 출시될려면 4개월을 기달려야 하지만 벌써부터 비교적 자세한 아키텍처의 특징을 알 수 있게 되었습니다.

 

비록 샌디 브릿지가 인텔이 선전한대로 완전히 새로운 아키텍처는 아니며, 엄격하게 말하자면 아키텍처에 개선과 증가를 한 제품이고, 그 본질은 변하지 않았지만. 많은 모듈에서 새로운 설계를 하고, 세부적인 사항에서 최적화와 실행 효율을 대폭 증가하여, 샌디 브릿지의 기능, 성능, 전력 사용량 등의 각 부분에서 매우 뛰어난 특징을 보이게 되었습니다.

 

개선된 터보 부스트 기능은 사람들을 흥분하게 하였습니다. 그 의미는 각기 다른 상황에서 더 적절하게 멀티 코어, 고클럭 프로세서의 잠재력을 끌어낼 수 있고, 리소스의 낭비를 하지 않으며 상황에 따라 CPU와 GPU의 리소스를 나눠 쓸 수 있게 되었다는 것입니다.

 

 

 

더 큰 변화는 CPU 코어 밖에 있는 그래픽 코어와 멀티미디어 엔진입니다. CPU 성능은 샌디 브릿지의 절대적인 장점의 하나입니다. 인텔 내장 그래픽은 마침에 허접하다는 딱지를 떼게 되었습니다. 만약 더 나은 화질을 유지하고 소프트웨어 제조사의 지원을 이끌어내며, 동영상 코딩에서 우수한 성능을 유지한다면 NVIDIA의 CUDA, AMD 스트림에 큰 위협이 가해질 것입니다.

 

링버스는 샌디 브릿지의 큰 혁신 중의 하나입니다. 이런 레벨의 아키텍처 변화는 그리 자주 보인 것이 아닙니다. 높은 확장성이 있고, 계속하여 상승하는 코어 수, L3 캐시의 용량, GPU 성능이 있다면 멀티 코어 시대의 변화를 전망할 수 있을 것입니다.