[2021년 06월 24일] - 지난 6월 1일, 대만에서 개최 중인 컴퓨텍스(Computex) 2021에 연사로 참석한 AMD 최고경영자 리사 수 박사(Dr. Lisa Su)는 진행 막바지에 놀라운 물건을 하나 꺼내 들었다. 3D 칩렛(Chiplet) 기술이 적용된 3세대 라이젠 프로세서다. 현재 시판 중인 라이젠 9 5900X 프로세서에 기반한 시제품(프로토타입)은 상당히 놀라운 성능을 보였다. 같은 환경에서 무려 평균 15%가량 성능 향상을 이뤄낸 변화다. 이것 하나로 AMD는 세간의 주목을 한 몸에 받았다.
리사 수 박사는 “올 하반기 내로 3D 칩렛 기술을 적용한 고성능 프로세서 생산 준비를 마칠 예정”이라고 말했다.
반도체 시장의 화두는 한정된 공간에 얼마나 많은 트랜지스터를 집적하느냐에 달렸다. 그래서 지금까지는 ‘초미세공정’에 총력을 기울여왔다. 트랜지스터를 작게 만들수록 한정된 실리콘 다이 위에 더 많이 집적할 수 있어서다. 그러나 이것도 한계에 다다르고 있다. 인텔은 10nm로의 전환을 힘겹게 진행하고 있으며, AMD 역시 7nm 공정으로 전환했다고 말하지만 완전한 것은 아니다. CPU 코어는 7nm지만, 그 사이를 연결하는 입출력 다이는 7nm가 아니기 때문이다.
지금까지 옆으로 혹은 미세하게 집중하는 형태로 진행해 온 반도체 기술이 이제는 위를 향하고 있다. 미세공정이 적용된 다이를 얇게 만들어 쌓는다면 작은 면적이라도 다수의 트랜지스터 집적이 가능하다. 이미 메모리에서는 이를 어느 정도 진행하고 있다.
3D 낸드 플래시나 고대역 메모리(HBM – High Bandwidth Memory) 등이 대표적인 예다. 발열이나 코어와 입출력, 캐시 간 연결 문제 등 난제를 풀어야 하지만 프로세서도 예외는 아니다. 그런데 AMD와 인텔은 같은 적층 기술로 서로 다른 결과물을 제안하고 있다.
성능 개선 위해 캐시 메모리를 쌓아 올리다
AMD, 3D 칩렛 기술로 발상 전환
AMD는 다중코어 시대에 접어들면서 하나의 실리콘 다이에 모든 것을 쏟아 넣는 것이 아닌 여러 개의 다이를 하나의 상품으로 구성하는 ‘다중 칩 패키지(MCP)’에 초점을 맞췄다. 일반 시장에서 판매 중인 라이젠, 스레드리퍼 프로세서 외에도 에픽(EPYC)과 같은 전문가용 프로세서에도 다중 칩 패키지 형태로 생산해 제공하고 있다.
AMD는 여기에서 더 나아가 3D 칩렛(Chiplet) 형태의 생산을 도입하려고 준비하고 있다. 칩렛은 주요 기능을 담당하는 칩 여러 개를 연결한 형태로 앞서 설명한 AMD 프로세서들이 기본적인 칩렛 형태라고 보면 된다. 3D 칩렛은 여기에서 다이를 적층하겠다는 말이다.
△ 리사 수 박사가 공개한 라이젠 3D 칩렛 시제품. 좌측 코어 다이에 S-램 캐시가 적층됐다
새롭게 공개한 라이젠 시제품은 코어를 여럿 쌓은 형태는 아니었다. 기본 코어 다이 위에 캐시 역할을 수행하는 S-램을 달아 데이터 입출력 성능을 높였다. AMD는 이를 3D V-캐시 기술(3D V-Cache Technology)이라고 언급하고 있다. 리사 수 박사는 라이젠 프로세서의 코어 다이 하나(CCD)에 최대 96MB 용량의 캐시를 적층할 수 있으며, 최대 192MB까지 제공할 수 있다고 언급했다. 대역폭은 무려 2TB/s에 달한다.
물론, 적층한다는 말이 쉽지 실제로는 이 구성이 결코 만만한 것은 아니다. 일반적인 형태의 칩렛은 여러 개의 칩을 미세 배선으로 연결한다. 최적의 배선 구성을 위한 설계가 복잡해지고 코어는 작아도 기판 자체가 커질 수 있다는 문제가 상충한다. 이 구도에서 실리콘 다이를 적층하는 구조는 배선이 수직으로 통과 하는 형태이기에 열이나 저항 등을 극복해야 된다. AMD가 코어 다이가 아닌 캐시를 적층하는 선택을 한 것은 어떻게 보면 현실적인 대안인 셈이다.
결과물이 살짝 아쉬워서 그랬지 시작은 우리가 먼저...
프로세서 적층 기술은 인텔에도 있었다
AMD가 3D 칩렛 기술을 공개하며 반도체 적층을 향한 기술 흐름을 상기시켰다. 효과는 대단했는데, 사실 인텔도 3D 칩렛에 기반한 프로세서를 공개한 바 있다. 바로 2019년 공개한 인텔 레이크필드(Lakefield) 프로세서다. ‘인텔 코어 프로세서 – 하이브리드 기술(Intel Core Processors with Intel Hybrid Technology’로 등장한 이 프로세서는 코어 i3-L13G4, 코어 i5-L16G7 두 가지가 출시된 바 있다.
두 프로세서는 인텔 ‘포베로스(Foveros) 3D 기술’로 만들어졌다. 하나의 칩을 1mm 두께의 층을 쌓은 형태로 만들어졌다. 이 기술로 만들어진 레이크필드 프로세서는 가로/세로 12mm, 두께 1mm에 불과하지만 두 개의 프로세서 코어가 쌓여 있다. 코어 하나는 현재 11세대 코어 프로세서에 쓰인 써니 코브(Sunny Cove) 아키텍처에 기반하고, 다른 하나는 아톰에 적용된 트레몬트(Tremont) 아키텍처가 쓰였다. 이렇게 1코어(써니 코브)+4코어(트레몬트) 형태로 출시된 것이 레이크필드다.
△ 인텔도 2019년에 포베로스 3D 기술이라는 이름으로 3D 칩렛을 시도한 바 있다
시작은 좋았다. 이른바 ARM 계열 프로세서들에 적용된 빅리틀 아키텍처처럼 고성능 코어 하나와 저전력 고효율 코어 4개를 배치해 효율성을 높이고자 했다. 모바일 프로세서로 열설계전력(TDP)가 7W에 불과했다. 이 프로세서는 삼성전자의 갤럭시 북 S에 적용되기도 했는데, 장시간 작동 가능한 배터리 효율을 보여 주목받았다.
문제는 결과다. 전력 효율은 좋아도 노트북용 프로세서이기에 한계는 명확했다. 기술의 취지가 좋아도 시장이 납득하지 못하면 잊힌다. 현재 레이크필드 프로세서 외에 비슷한 기술이 적용된 고성능 프로세서를 공개했다면 분위기가 다르지 않았을까?
AMD는 고성능, 인텔은 저전력·고효율
같은 적층 기술로 다른 곳 보는 두 제조사 향방은?
지금까지 드러난 현상만 풀이하자면 AMD는 철저하게 고성능 컴퓨팅에 초점을 뒀고, 인텔은 시험적인 성격이 강해도 저전력과 고효율에 초점을 두고 있다. 같은 반도체 적층 기술이라도 지향하는 방향과 목적에 따라 결과물은 다를 수 있다. 당장은 그 방향이 극단적이기 때문에 향후 컴퓨팅 시장에서 두 제조사가 격돌할 가능성은 낮다.
그러나 두 제조사는 시작이 다를 뿐이지 제품을 선보이는 과정에서 얼마든지 격돌할 수 있다.
시장 경쟁을 위해 고성능 컴퓨팅에서 모바일로, 모바일에서 고성능 컴퓨팅으로 확장할 수밖에 없기 때문이다. 누가 먼저 상품성 높은 프로세서를 선보이느냐가 중요한 과제다. 과연 차세대 프로세서 경쟁에서 웃게 될 제조사는 누가 될까? 치열한 기술 경쟁은 우리를 항상 즐겁게 한다. 동시에 지켜보다가 이거다 싶은 제품에 구매 버튼이 눌리는 건 지극히 합리적인 소비다.
By 김현동 에디터 Hyundong.Kim@weeklypost.kr
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