HSA로 CPU와 GPU의 유기적 조합이 이루어진 카베리 APU
AMD는 1세대 라노 (Llano) APU를 시작으로 CPU와 GPU를 통합했으며 3세대 리치랜드 (Richland) APU까지는 기존과 마찬가지로 CPU와 GPU를 통합하는 수준에 머물렀다. 하지만 4세대 카베리 (Kaveri) APU는 단순한 통합에서 한발 더 나아가 CPU와 GPU의 조화를 이룬 HSA를 지원하며 기존보다 더욱 유기적인 결합이 이루어졌다.
카베리 APU, HSA와 아키텍처 개선, 전력 효율 최적화
이같은 변화를 시도하는 4세대 APU 카베리는 CPU와 GPU 한 부분에 집중하는 것이 아니라 CPU와 GPU를 아우르는 컴퓨팅 환경의 개선에 무게를 두고 있다. 앞으로도 이와 같은 방향성을 유지할 것으로 예상된다.
1. HSA를 처음으로 도입하는 카베리 APU
hUMA와 hQ, CPU와 GPU를 컴퓨팅 연산에 활용
카베리 APU의 가장 큰 특징으로는 이기종 컴퓨팅 향상을 위한 HSA (Heterogeneous System Architecture, 이기종 시스템 아키텍처)를 지원하는 것이다. 기존 APU와 인텔 프로세서가 CPU와 GPU를 단순한 통합에 그치고 있다면 HSA는 CPU와 GPU의 단순 통합에서 한발 더 나아가 CPU와 GPU가 서로 유기적으로 결합해 컴퓨팅 성능을 향상하는데 있다.
이를 위해 CPU와 GPU가 가상 메모리 공간을 공유 (hUMA, Heterogeneous Uniform Memory Access)해 서로의 데이터 교환 과정이 필요한 기존 통합 프로세서와 다르게 데이터 교환의 불필요한 과정을 줄여 성능을 향상하며 동등한 위치에서 스스로 작업을 찾아 실행하고 필요에 의해 데이터를 상호 교환해 효율 (hQ, Heterogeneous Queuing)을 개선한다.
HSA는 멀티미디어와 게임 등 다양한 분야에 활용
CPU와 GPU는 컴퓨팅 연산을 위해 모두 사용 가능하며 APU와 외장 라데온 그래픽카드를 조합하여 사용 가능한 Co-Processing도 지원한다. 외장 그래픽카드는 기존 그래픽 렌더링 실행, APU는 HSA를 이용해 CPU와 내장 GPU가 병행해 물리 연산을 수행할 수도 있다.
이처럼 카베리 APU는 HSA를 바탕으로 기존에 독립적이던 작업을 유기적으로 결합해 프로세싱 효율을 향상한다. 처음으로 지원하기 시작한 만큼 아직 활용을 위한 소프트웨어나 제반 환경이 부족하지만 앞으로의 지원 여부에 따라 활용 가능성은 크게 늘어날 수 있다. 현재 HSA 진영 역시 삼성전자나 퀄컴, ARM 등이 참여하는 만큼 공개표준인 OpenCL과 함께 HSA는 발전 가능성이 높다.
2. 28nm 공정으로 다이 사이즈 최적화
카베리 APU는 245mm^2의 다이 사이즈를 제공하며 리치랜드 A10-6800K의 246mm^2와 다이 사이즈가 유사한 크기를 제공한다. 이는 28nm 공정 (28nmSHP) 적용에 의해 더 많은 트랜지스터를 집적하면서도 크기는 줄이는 것이 가능해졌다. 트랜지스터 수는 24억개로 증가했으며 카베리 APU의 GPU 비율은 이전 세대보다 더 늘어나 47%의 면적을 차지한다.
카베리 APU는 또한 28nm 공정을 도입하면서 스팀롤러와 GCN 아키텍처 최적화를 바탕으로 전력 효율도 개선했다. 다이 전력의 지능적인 개선과 하드웨어와 소프트웨어 최적화와 디자인 효율 개선을 통해 가능해졌다. 이와 같은 전력 효율 개선은 특히 모바일용으로 사용했을 때 배터리 수명과 쿨링, 소음면에서 유리해진다. TDP 스펙도 종전 최대 100W에서 95W로 줄었고 저전력 15W부터 35W, 95W 제품군을 출시할 예정이다.
3. CPU와 GPU 아키텍처 향상으로 효율 개선
CPU와 GPU를 모두 컴퓨팅 연산에 활용 (최대 4코어와 8코어 GPU 통합)
HSA를 지원하는 최초의 프로세서인 카베리 APU는 파일드라이버 (Piledriver) 아키텍처를 개선한 스팀롤러 (Steamroller) 아키텍처 기반 CPU 최대 4코어, GCN (Graphics Core Next) 아키텍처의 GPU 최대 8코어로 총 12 컴퓨트 코어 (Compute Cores)를 이용한다. 카베리 APU에서는 컴퓨트 코어라는 개념이 등장하는데 이는 CPU와 GPU 코어를 아우르는 것으로 HSA 적용에 따른 변화다.
CPU 코어는 스팀롤러 기반으로 파일드라이버가 기존 토대 위에 효율을 개선한데 그쳤다면 스팀롤러는 실질적인 성능 향상을 위한 구조로 변화가 이루어졌다. IPC (클럭당 명령어 처리 능력)를 최대 20% 향상한 것으로 알려졌으며 파일드라이버의 한계를 극복하기 위해 하나의 코어에 두 개의 디코더와 패치 유닛을 적용했다.
특히 기존 불도저 코어의 명령 디코딩 스테이지를 개량했으며 실제 명령 실행 전 단계인 명령 변환과 전달 단계를 확장하며 늘어난 실행 유닛의 대기 시간을 줄였다. 여기에 명령 캐시 실패율을 30% 줄이고 분기 예측 성공률 20% 개선, 스케쥴러와 L1 데이터 캐시의 효율 개선이 이루어져 전체 IPC를 향상하도록 했다.
GPU도 VLIW4 아키텍처에서 최신 그래픽카드에 적용한 GCN (Graphics Core Next) 아키텍처를 적용했다. GCN 아키텍처는 그래픽 처리 능력과 GPU 컴퓨팅 환경에 적합한 구조를 보이며 라데온 R9 시리즈에 적용한 GCN 1.1를 적용한 카베리 APU는 8개의 ACE (비동기 컴퓨트 엔진)을 이용 8개의 컴퓨트 코어로 활용된다.
카베리 APU는 종전 384SP의 리치랜드 APU보다 더 늘어난 최대 512SP를 제공해 라데온 HD 7750과 동일한 스트림 프로세서, 라데온 R7 260의 768SP와 라데온 R7 250의 384SP 중간, 8 ROPs, 최대 DDR3-2400MHz 지원으로 38.4GB/s 대역폭을 이용한다.
하지만 라데온 HD 7750은 512SP는 같지만 16 ROPs와 GDDR5 4500 (1125)MHz로 72.0GB/s 메모리 대역폭 확보해 카베리 APU는 HD 7750의 실질 성능은 넘어서지 못하는 것으로 알려졌다. 그러나 리치랜드 VLIW4 대비 향상된 아키텍처와 늘어난 스트림 프로세서 (SP)로 기존세대 대비 향상이 예상된다. 여기에 새로 추가된 트루오디오 (TrueAudio)와 고성능 그래픽카드를 위한 PCI-Express 3.0 인터페이스도 지원한다.
카베리 APU는 APU 내장 GPU와 보급형 외장 GPU를 듀얼로 구성해 성능을 높이는 듀얼 그래픽스 (Dual Graphics)를 지원하며 카베리 APU와는 라데온 R7 250 (D3 버전)과 라데온 R7 240 GPU가 듀얼 그래픽스를 지원하는 것으로 알려졌다.
또 AMD는 앞으로 출시 예정에 있는 카탈리스트 최신 버전에서는 듀얼 그래픽스로 성능을 높일 때 프레임 페이싱 (Frame Pacing)을 지원한다. 프레임 페이싱은 프레임을 안정적으로 유지해 부드러운 게임을 진행할 수 있도록 해주는 기술이다. 카탈리스트 최신 드라이버는 이 외에도 HSA와 맨틀, AMD 트루오디오를 지원할 것으로 알려졌다.
4. 게임 성능 및 효율 향상을 위한 맨틀과 트루오디오 지원
맨틀은 게임 개발자에게 더 나은 게임 개발 환경을 제공하며 하드웨어를 보다 직접적으로 제어해 효과적인 렌더링과 게임 성능을 향상할 것으로 알려졌으며 배틀필드4에 적용한 프로스트바이트3 엔진과 옥사이드 게임즈의 64비트 Nitrous 엔진 등이 맨틀을 지원한다.
카베리 APU에 탑재한 내장 GPU는 맨틀 (Mantle) API를 지원하며 배틀필드4 게임의 경우 DirectX를 이용할 때보다 최대 45%의 성능 향상이 가능할 것으로 소개하고 있다. 배틀필드4는 맨틀 지원 최초의 게임으로 알려졌으며 이달 초 카탈리스트 14.1 베타 드라이버가 공개되면서 맨틀을 지원하기 시작했다. 현재는 맨틀 지원 게임의 수가 적지만 지원이 늘어나면 GCN 기반 AMD GPU는 그만큼 혜택을 누릴 수 있을 것으로 예상된다.
GCN 아키텍처 기반의 신형 GPU는 맨틀 지원과 함께 트루오디오 (TrueAudio)를 지원한다. 트루오디오는 프로그래밍 가능해 유연성이 높으며 CPU 점유율을 줄여 게임 성능 향상과 현장감있는 사운드 처리와 방향성 있는 오디오, 노이즈 제거 향상, 풍부한 게임 오디오를 구현할 수 있는 것이 특징이다. Thef, LIchdom 등의 게임에서 트루오디오를 지원할 것으로 알려졌다.
5. 멀티미디어 및 HSA 이용한 지원 향상
VCE 2와 UVD 4 지원하는 카베리 APU
AMD는 VCE (Video Coding Engine)과 UVD (Unified Video Decoder)를 이용해 H.264와 VC-1, MPEG-2 등의 코덱 지원도 활발하게 진행해왔으며 트리니티와 리치랜드까지는 VCE1과 UVD 3를 이용했다. 카베리는 VCE2와 UVD 4를 새로 적용한다.
VCE 2에서는 H.264 YUV420 (I,P frames)에서 H.264 YUV420 (I,P & B frames)과 60GHz 무선 디스플레이를 위한 H.264 YUV444 (I frames), UVD 4에서는 H.264/ AVCHD 지원에 더해 에러 복원력 향상 (improved error resiliency) 기능을 추가로 지원한다.
이 외에도 HSA를 이용한 HEVC 인코드와 1080p 영상을 4K 화면에서도 선명하게 볼 수 있는 업스케일, DisplayPort 1.2를 이용한 4K (UHD) @60Hz 출력도 지원한다. 또 부족한 장면을 생성해 실제 60 fps 영상을 보는 듯 부드러운 화면을 재생할 수 있는 FLUID Motion Video를 지원한다. 이를 통해 4K 해상도에서 24Hz를 60Hz로 변환해 이미지 손실을 보완해 디테일 저하를 개선하고 부드러운 화면 전환과 플레이가 가능해진다.
6. 지원 플랫폼과 APU 종류
카베리 APU를 지원하는 A88X/ A78/ A55 FCH 칩셋
카베리 APU는 A88X와 A78, A55 FCH가 지원하며 A75/ A55를 지원하는 FM2 소켓에서 FM2+ 소켓 지원에 맞춰 A88X와 A78 FCH가 등장했다. 이들 칩셋을 이용한 FM2+ 메인보드에서는 기존 트리니티와 리치랜드 APU를 지원하는 하위 호환성을 제공하며 칩셋에 따라 DotHill Raid 기술을 지원한다.
AMD는 카베리 발표 당시 A10-7850K와 A10-7700K, 그리고 A8-7600을 발표했으나 현재 국내에는 A10-7850K와 A10-7700K의 2종만 출시되었다. A8-7600은 차후 출시 예정이며 AMD가 공개하지 않은 A10-7800, A6-7400K, A4-7300 APU 3종도 추가로 등장할 것으로 알려졌다. |
