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 네할렘
아키텍쳐에서는 무엇이 바뀌었는가?
현존 코어 마이크로아키텍쳐의 뒤를 잇는 인텔 차세대
마이크로아키텍쳐 네할렘은 에너지 효율적인 성능과 인텔 하이퍼스레딩 기술, 터보 모드, 동적 전원 관리, 2세대 가상화 기술, 3배 높아진 메모리
대역폭, 그리고 QPI(QuickPath Interconnect, QPI) 도입 등으로 차별화된 성능을 꾀하고 있다.
네할렘 코어는 메모리 컨트롤러 내장, L3 캐시 추가 등 성능을
향상시키기 위해 CPU 안에 많은 것을 추가하면서 같은 45nm Hi-K 공정을 사용하고 있음에도 불구하고 다이 크기는 45nm 공정의 코어
마이크로아키텍쳐에 기반한 코어 2 쿼드 요크필드보다 더 커졌다.
네할렘 마이크로아키텍쳐에서 다시 추가된 인텔 하이퍼스레딩 기술은
과거 펜티엄4, 펜티엄D 시절에 사용되다가 코어 마이크로아키텍쳐의 도입과 함께 사라진 기술인데, 네할렘에서 하이퍼스레딩이 다시 SMT(Simultaneous Multi Threading)라는 이름으로 들어오면서 한번에 보다 많은 스레드를 처리할 수 있다.
인텔은 하이퍼스레딩 기술의 도입이 코어 숫자를 늘리는 것보다 적은
소비 전력과 제조 비용 절감을 가져오고, 서버에서는 시스템 부하를 줄여주어 데이터베이스나 검색 엔진 등에 유용하고, 클라이언트 쪽에서는 멀티
태스킹, 미디어, 애플리케이션 등에서 장점이 있다고 설명하고 있다.
IDF 2008에서 발표된 대부분의 프리젠테이션 자료에서 인텔은
SMT라는 이름보다 하이퍼스레딩(HT)이라는 문구를 메인으로 달았는데, SMT 대신 이미 친숙한 하이퍼스레딩으로 명칭을 다시 변경한 것인지는
확실하지 않다.
캐시 구조 역시 바뀌었는데 코어 마이크로아키텍쳐는 코어별로
독립적인 L1 캐시를 가지면서 L2 캐시 전체를 공유했지만, 기본 베이스가 듀얼 코어였기 때문에 사실상 듀얼 코어용 L2 캐시 x2 구조로
만들어졌었다.
하지만 네할렘은 L1에 이어 L2 캐시까지 코어별로 할당하고 L3
캐시를 전체 공유하는 방식으로 설계했기 때문에 4개의 코어가 최대 8MB의 L3 캐시를 공유하게 된다. 새로 추가된 256KB L2 캐시는
물리적인 메모리 어드레스를 캐싱하는 TLB로 이전의 코어 마이크로아키텍쳐에의 공유 방식 L2 캐시보다 용량은 적지만 매우 낮은 레이턴시와 향상된
확장성을 가지고 있다.
네할렘 마이크로아키텍쳐의 가장 큰 변화 가운데 하나를 꼽으라면
바로 AMD처럼 CPU 안에 메모리 컨트롤러를 내장했다는 점인데, 인텔은 여기에서 한발 더 나가 DDR3 메모리 컨트롤러를 넣고, 듀얼
채널(2채널)보다 발전한 3 채널 메모리 구성, 그리고 퀵패스 인터커넥트를 통해 전보다 3배 높은 메모리 대역폭을 지원한다고 설명하고 있다.
메모리 컨트롤러가 CPU로 넘어가면서 그 동안 메모리 컨트롤러
허브(MCH)라고 불리던 인텔 노스브릿지 칩셋은 I/O 컨트롤러만 담당하게 되므로 I/O 허브(IOH)라는 이름으로 바뀌게 된다.
네할렘 아키텍쳐의 대역폭을 전체적으로 비교하면 가장 많은 이득을
보는 쪽이 메모리와 CPU 사이인데, 이전에는 2개의 쿼드 코어 프로세서를 사용하더라도 메인보드 칩셋에 내장되어 있는 하나의 메모리 컨트롤러를
사용해야 했지만, 네할렘은 CPU별로 독자적인 메모리 채널을 보유하게 된다.
또한 듀얼 채널에서 3 채널 구조로 바뀌면서 대역폭은 CPU
하나당 31.9GB/s까지 올라가 기존 제온 플랫폼의 메모리 쓰기 대역폭을 기준으로 비교하면 인텔의 말처럼 대역폭이 3배나 증가한 것으로
나온다.
메모리 컨트롤러 내장과 함께 사용 메모리도 DDR2,
FB-DIMM에서 DDR3로 바뀌었는데, 특히 서버 시장에서는 DDR3 MetaSDRAM 기술을 통해 기존 8GB 모듈의 2배에 해당하는
16GB 메모리 모듈을 달 수 있다.
인텔은 IDF 2008에서 하이닉스에서 새로 개발한 DDR3
MetaSDRAM 16GB 모듈을 사용해서 18개의 메모리 슬롯으로 총 144GB 용량의 메모리로 구성된 네할렘 데모 시스템을 구축하기도 했다.
네할렘에서는 FSB로 대변되던 인텔의 CPU-칩셋 연결 방식이
퀵패스 인터커넥트 구조로 완전 변경되는데, AMD의 하이퍼트랜스포트와 마찬가지로 CPU와 CPU, CPU와 IOH(I/O Hub) 사이를
이어주는 퀵패스는 각 연결마다 20 Lane으로 구성되며 최대 25.6GB/s의 대역폭을 가지게 된다.
하지만 인텔은 퀵패스는 I/O 인터페이스 규격이 아니기 때문에
시스템에서는 여전히 PCI Express를 표준 I/O 인터페이스로 사용하게 될 것이라고 언급했다.
인텔의 2세대 가상화 기술(Virtualization 2.0)
역시 네할렘에 들어간 주요 기능 가운데 하나다. 가상화 기술은 하나의 시스템을 여러 용도로 사용하거나 여러 시스템을 하나의 용도로 묶기도 하고,
시스템의 사양이 다른 경우도 리소스를 합치는 등 다양한 방식을 통해 활용도가 높아 서버/워크스테이션 시장에서 각광받는 기술이다.
인텔의 코어 마이크로아키텍쳐처럼 서버-데스크탑-모바일을 하나의
아키텍쳐로 구성한 네할렘이기 때문에 가상화 기술 역시 서버용 뿐만 아니라 모든 네할렘 아키텍쳐 기반 프로세서에 들어가게 된다. 최근에는
데스크탑이나 모바일 프로세서도 성능이 올라가고 코어 숫자가 많아짐에 따라 가상화 기술을 사용하는 유저들이 늘어나고 있다.
네할렘에 들어간 또 다른 기술은 동적 전원 관리(Dynamic
Power Management)인데, 마이크로컨트롤러를 내장한 전원 조절 유닛(Power Control Unit)에서 각 코어에 실시간으로 각
코어의 전압과 클럭, (내장된 센서를 통한) 온도를 파악할 수 있으며, 코어별로 전원 회로를 구성해 사용하지 않는 코어의 전원을 차단해 CPU
소비 전력을 낮춰준다.
현재의 멀티 코어는 사용하지 않아도 전원은 계속 공급되기 때문에
대기(Idle) 상태에서 동작 상태로 바뀌면서 소비 전력에 차이가 많이 생길 뿐만 아니라, 쿼드 코어 이상의 멀티 코어가 구성에서 점점 늘어나는
누설 전류로 인해 사용하지도 않는데 소비하는 전력은 커지게 된다.
하지만 인텔은 네할렘 아키텍쳐에서 CPU에 내장된 파워 게이트를
통해 스위칭 방식으로 누설 전력을 제거하고 코어가 Idle 상태일 때는 공급되는 전력을 0에 가깝도록 코어별로 독립적인 전원 관리가 가능하도록
만들었다.
네할렘에 들어간 터보 모드(Turbo Mode)는 동적 전원 관리
기술과도 연관이 있다. 파워 게이트는 동작하지 않는 코어의 소비 전력을 0으로 만드는데, 부하가 걸리는 작업이 있으면 동작하지 않는 코어의
전력을 줄이는 대신 동작 중인 코어 쪽에 추가적인 성능 향상을 가져온다.
이를 통해 네할렘은 소비 전력을 줄인 상태에서도 터보 모드를 통해
작업에 따라 충분한 성능을 낼 수 있는데, 이 때 추가적인 성능 향상을 가져오는 것은 필자 생각에 오버클럭보다는 공유된 L3 캐시 등의 자원을
활성화된 코어가 독점하면서 생기는 이득일 것으로 추측된다.
네할렘
아키텍쳐 본격 도입은 2009년으로
네할렘은 인텔의 이전 코어 마이크로아키텍쳐와 마찬가지로
서버/워크스테이션과 데스크탑, 그리고 노트북 시장에 모두 적용되는 기본 아키텍쳐에 각 시장에 맞게 스펙이 결정된다. 우선 2008년에는
서버/워크스테이션 시장용으로 네할렘-EP가 등장하고, 데스크탑용으로는 하이엔드 시장을 노리는 새로운 브랜드로 코어 i7(Core i7)이라는
명칭이 붙게 된다.
서버 시장에서는 네할렘-EP 상위 모델로 지금의 제온 7000
시리즈가 차지한 확장가능형 서버 시장을 겨냥한 네할렘-EX가 2009년에 등장하고, 데스크탑 시장에서는 린필드(Lynnfield), 하벤데일(Havendale),
노트북 시장에서는 클락스필드(Clarkfield)와 오번데일(Auburndale) 프로세서가 출시된다.
네할렘 아키텍쳐는 코어 마이크로 아키텍쳐와 달리 멀티 코어 구조,
FSB, 메모리 컨트롤러 및 채널 등 많은 부분이 바뀌면서 이에 따라 CPU 소켓도 바뀌게 된다. 오랜 기간 동안 인텔 데스크탑
프로세서 소켓으로 사용되었던 LGA775와 서버용 LGA771 소켓은 네할렘 프로세서의 면적이 커지고 기술이 바뀌면서 거의 2배에 해당하는
1366개 핀 숫자를 가진 LGA1366으로 변경된다.
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