2011년 10월 AMD가 내놓은 FX 시리즈는 PC 시장에 떨어진 대재앙 취급받았다.

AMD에게는 물론이거니와, 경쟁사의 세대별 CPU 성능 상승폭이 제자리 걸음하는 이유로 꼽히면서 가히 눈물없이 볼 수 없는 한 편의 드라마와 같은 상황이 연출되었다.

하지만 초기 불도저 아키텍처의 문제점은 파일드라이버와 스팀롤러, 엑스카베이터 아키텍처까지 이어지며 상당 부분 개선되었고, 이 중 엑스카베이터 아키턱처는 AMD 최초의 DDR4 메모리 지원으로 APU에 먼저 도입되어 우리 앞에 등장하게 되었다.

이미 많은 분들이 알고 계시는 것처럼, AMD는 볼도저에 도입된 CMT(Clustered Multi-Thread) 모듈 구조 대신 SMT(Simultaneous Multi-Thread) 구조로 회귀한 ZEN 아키텍처 기반 FX CPU인 서밋 릿지와 APU 레이븐 릿지를 2017년 출시 예정이다.

따라서 이번에 선보일 브리스톨 릿지는 사실상 AMD의 마지막 모듈 구조 아키텍처 기반 제품이 되는데, 이번 기사에서는 브리스톨 릿지의 근간을 이루고 있는 엑스카베이터 아키텍처와 제품을 살펴보도록 하겠다.

브리스톨 릿지, AMD 마지막 모듈 아키텍처 엑스카베이터 기반

브리스톨 릿지는 중장비들의 명칭을 아키텍처로 채택한 마지막 모듈 구조 기반 APU이고, 이후 출시될 ZEN 아키텍처는 SMT 구조이기 때문에 오해할 수 있지만, 브리스톨 릿지(엑스카베이터, APU)와 서밋 릿지(ZEN, FX), 레이븐 릿지(ZEN, APU)는 모두 동일한 AM4 소켓을 사용하고, 서로 호환되는 점을 우선 알고 넘어가자.

사실 이미 엑스카베이터 아키텍처는 이미 지난해 출시된 코드네임 카리조 기반 제품의 근간을 이루고 있어 출시된지는 1년 이상 지났지만, 모바일 APU 위주로 나오고 데스크탑 모델은 애슬론 X4 845/ 835 2종만 선보여 조금 낯설 수 있다.

엑스카베이터 아키텍처에 대해 간단히 살펴보자면, 우선 L1 캐시의 용량 증대, 프리패치 개선 및 레이턴시 감소, 분기 예측 향상을 위한 BTB(Branch Target Buffer)를 512엔트리에서 768엔트리로 50% 늘리고, 분기예측 실패시 FPU 파이프라인 플러시 속도 증가, AVX2, BMI1/2, MOVBE, SMEP, RdRand 명령어가 추가 되었다.

카리조에 적용왼 엑스카베이터 아키텍처는 기존 CPU용 고성능 라이브러리가 아닌 GPU로직용으로 사용되던 고밀도 라이브러리를 이용해 설계되어 같은 28nm 공정임에도 밀도가 29% 높아 지면서 스팀롤러 대비 전체 면적이 약 23% 줄어들었고, 이에 따라 고클럭 구현은 어렵지만 코어가 압축되며 웨이퍼당 칩 생산 갯수가 증가해 원가절감에 유리하고, 저전력-저클럭에서는 전력효율이 올라가는 것으로 알려졌다.

이는 고클럭/ 고성능에 대한 수요가 많지 않은 APU에서 생산단가 절감과 저클럭에서 전력특성 향상이 보다 합리적이라는 AMD의 판단이 적용한 것으로 판단되며, 이번에 선보인 브리스톨 릿지는 모바일 플랫폼을 이은 엑스카베이터 아키텍처 기반의 데스크탑 모델로 볼 수 있다.

특히, 엑스카베이터는 적응형 전압 조절 기능을 강화해 15W 기준으로 최대 39% 성능 향상을 얻을 수 있도록 클럭이 설정되었으며, IPC 면에서는 소비전력 변동없이 9% ~ 13% 가량 향상된 것으로 알려졌다.

엑스카베이터 아키텍처에 대한 세부 내용은 지난 보드나라 기사를 참고하기 바란다.

브리스톨 릿지 : 카베리 대비 CPU 50%, 카리조 대비 GPU 37% 성능 향상

카리조가 모바일 플랫폼을 겨냥한 엑스카베이터 아키텍처의 시험적 제품이라면 브리스톨 릿지는 데스크탑과 모바일을 모두 겨냥한 완성품으로 볼 수 있는데, 구조상 브리스톨 릿지는 카리조와 완전 동일한 것은 AMD도 공식 인정한 사실이다.

하지만 카베리 대비 CPU 성능이 카리조보다 약 10% 포인트 더 상승했으며, GPU 성능은 카리조 대비 최대 37% , 멀티미디어 성능은 12% 까지 높아졌음을 밝히고 있는데, 물리적으로 동일한 두 APU의 성능 차이는 어떻게 가능했을까?

엑스카베이터 아키텍처 기반 카리조에는 동적 전압/ 클럭 스케일링 기술인 DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling)에 더해 실제 실리콘 다이의 동작 클럭에 따라 최적화하는 AVFS(Adaptive Voltage and Frequency Scaling)를 도입했다.

해당 기능은 CPU 클럭을 감지해 특정 동작 클럭 동작에 필요한 최소 전압을 감지하는 구조로, 이들은 CPU의 동작 상태를 구분하는 P 스테이트에 따라 클럭과 전압을 전환하는데, 브리스톨 릿지는 기존 8단계 P 스테이트보다 더 높은 10단계 P 스테이트를 사용하며, 운영체제의 8단계 P 스테이트를 CPU의 10단게 P 스테이트에 맵핑하는 시스템을 적용했다.

이를 통해 브리스톨 릿지는 더 높은 P 스테이트를 활용할 수 있게 되었는데, 이에 따라 클럭과 전압 상한선에 여유가 있을 경우 더 높은 조합으로 바꿀 수 있어, 일정 전력 범위에서 동작 클럭 향상이 가능해진다.

브리스톨 릿지에선 여기에 더해 릴라이어빌러티 트래커(Reliability Tracker)라는 기능이 더해졌는데, 해당 기능은 제품의 안정적 동작을 위해 제품 수명 기간 동안 안정적으로 동작할 수 있는 FIT(Failures in Time)값에 대해 설정된 여유분의 동작 클럭과 전압을 동적으로 추적해 적용한다.

즉, 쉽게 말해 제품 동작 한계선에 가깝도록 클럭과 전압을 끌어올릴 수 있도록 하므로써 같은 조건에서 기존보다 더 높은 부스트 클럭을 얻어낼 수 있고, 이는 곧 성능 향상으로 이어진다.

한편, 브리스톨 릿지는 여기에 노트북의 표면 온도에 따라 클럭을 올리는 STAPM((Skin Temperature Aware Power Management), 전원부(VRM)에서의 전력 공급을 정확히 설정해 장기간 사용시 발생하는 컴포넌트 노화에 따른 손실을 줄일 수 있도록 BTC(Boot Time power supply Calibration)를 지원한다.

결과적으로 카리조와 동일한 다이 설계 기반이지만, AMD 발표에 따르면 이같은 여러 기술이 더해진 브리스톨 릿지는 카리조보다 고성능을 구현하며 2세대 전 카베리 대비 최대 CPU 성능은 50%, 카리조 대비 동일 소비전력 환경에서 GPU 성능을 37% 끌어올리는데 성공했다.