인텔 4세대 코어 프로세서 하스웰, 코어 i7 4770K로 살펴본 변화 및 성능은?

인텔은 틱톡 (Tick-Tock, 틱은 공정 개선, 톡은 아키텍처 개선) 전략에 따라 매년 새로운 프로세서를 출시하고 있다.

틱톡 전략은 한번은 공정 개선 (틱, Tick), 다른 한번은 아키텍처 개선 (톡, Tock)을 이루며 이를 통해 제품 개발 주기를 단축할 수 있고 시장에 빠른 제품 투입이 가능해졌다.

인텔 4세대 코어 프로세서인 하스웰 (Haswell)은 아이비브릿지 (Ivy Bridge)와 같은 22nm 3D 트랜지스터 공정을 적용한 프로세서지만 이번에는 톡 (Tock)으로 아키텍처를 개선한 프로세서다.

인텔 4세대 코어 프로세서 하스웰의 주요한 변화는 성능 향상과 함께 전력 효율이 개선된 것이다. 기존 코어 시리즈 대비 전력을 개선하고 저전력 버전을 강화해 모바일 컴퓨팅 환경에 더욱 유리할 것으로 예상된다.

10W 수준의 얇고 가벼운 울트라북 (Ultrabooks)이나 태블릿PC 등에 다양하게 탑재될 것으로 예상되며 코어 당 성능 (싱글 스레드, IPC 향상) 개선 및 아이들 전력 최적화, 고성능과 응답성을 개선한다.

4세대 코어 프로세서 하스웰

하스웰은 아이비브릿지와 동일하게 네이티브로 하나의 다이에 CPU와 내장 그래픽이 통합된다. 여기에는 나타나지 않았으나 VRM도 별도의 다이로 포함될 것으로 알려졌다.

하스웰 데스크탑 버전은 최대 4코어, GT2 내장 그래픽 (HD Graphics 4600), 시스템 에이전트 (Display, PCIe, DMI IOs 등 포함)와 메모리 컨트롤러, L3 공유 캐쉬가 자리잡고 있다.

일반적으로 공정이 개선되면 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적해 성능을 향상할 수 있고 제품 생산을 늘릴 수 있게 된다. 하스웰은 아이비브릿지와 같은 22nm 공정 3D 트랜지스터 구조이지만 트랜지스터 수는 2억개가 더 늘어났으며 이는 내부 회로 증가 및 VRM 탑재 등에 의한 것이다.

다이 사이즈도 그만큼 증가해 아이비브릿지의 160mm^2 대비 늘어난 177mm^2로 증가했다. 그래픽 코어는 CPU 다이의 대략 30%를 차지하고 있어 성능 증가분만큼 증가하는 추세다.

GT3 하스웰의 다이 사이즈는 GT2 하스웰보다 늘어난 264mm^2로 확인된다. 이는 20 EU에서 2배인 40 EU로 실행 유닛이 증가에 의한 것으로 GT2 하스웰 대비 87mm^2가 더 늘어났다. GT3e 하스웰 (Crystalwell)은 eDRAM 128MB를 온보드하며 트랜지스터 수가 공개되지 않았는데 eDRAM은 별도로 다이 사이즈 84mm^2를 차지할 것으로 알려졌다.

CPU 성능 향상위해 코어 마이크로 아키텍처 개선

하스웰과 아이비브릿지 CPU 구조 및 실행 파이프라인 길이는 서로 같은 14-19 스테이지로 차이가 없다. 대신 코어 당 성능 (싱글 스레드, IPC 향상)과 내부적으로 분기 예측 및 대역폭, 입출력 처리 개선, OoO (Out-of-Order) 실행 버퍼 및 L2 TLB 증가, 가상화 레이턴시를 낮추고 있으며 벡터 유닛을 위한 캐쉬 향상을 통해 전력 당 성능비를 개선하고 있다.

하스웰은 또 버퍼 사이즈를 전반적으로 개선해 병렬 실행 향상이 이루어졌으며 정수 및 부동소수점 레지스터 파일 증대, 동시 처리 할당 큐도 샌디브릿지 대비 2배가 증가했다.

코어 캐쉬와 레이턴시, 읽기와 쓰기, L1 대역폭도 샌디브릿지대비 2배 개선되었다. L1과 L2 캐쉬 대역폭은 2배로 늘고 같은 레이턴시를 유지하며 L1 캐쉬는 클럭 사이클 당 2개의 32바이트 (byte) 읽기 하나의 32바이트 쓰기, L2 캐쉬는 클럭 사이클 당 64바이트 데이터를 처리한다.

부동소수점 연산 성능 개선을 위한 인텔 AVX 명령어에 더해 AVX 2 (Advanced Extensions 2)와 FMA3 명령어를 추가했다. 256bit 정수 벡터 연산, FMA (Fused Multiply-Add)도 코어 당 단정도/ 배정도 연산 2배 개선, 암호화 및 해싱 처리 부분의 개선도 이루어졌다.

AVX2/ FMA3 명령어를 지원하는 소프트웨어가 거의 없으나 차후 이를 지원하게 되면 그만큼 처리 성능의 향상을 이끌어낼 수 있을 것으로 예상된다. FMA 등과 같은 명령어는 AMD 프로세서도 지원하고 있어 개발자와 지원 소프트웨어에 따라 성능을 향상할 수 있는 잠재력이 남아있다.

AVX2/ FMA3 명령어는 고성능 컴퓨팅 성능, 오디오 및 비디오 처리, 그리고 게임 연산 성능 전반을 향상할 수 있다.

전력 관리 및 효율을 개선한 4세대 코어 프로세서

하스웰 프로세서는 이전 세대까지 VRM (Voltage Regulator Moudle)을 메인보드에 내장해온 것과 달리 VRM을 프로세서 내부에 내장한다. 기존에는 메인보드에 VRMA이 배치되고 멀티 페이즈 (Phase) CPU 전력 공급 서킷 및 블록별 전압 조절이 이루어졌다. 하지만 이는 전기 회로 증가로 인한 비용 상승 및 메인보드 공간을 많이 차지했다.

또 인텔이 요구하는 전력 효율과 성능을 만족하지 못했고 인텔은 하스웰에서 VRM을 통합해 이를 만족하고 프로세서 내부의 각 코어와 그래픽 코어, 시스템 에이전트 등에 독립적으로 정교한 컨트롤로 전력을 효율을 높였다. 이를 통해 CPU 성능은 희생하지 않으면서 전력 효율을 극대화할 있게 된다.

하스웰 이전세대는 메인보드로부터 코어와 캐쉬 메모리, 시스템 에이전트, 그래픽 코어를 비롯한 서로 다른 6가지 전압을 공급받았으나 하스웰은 메인보드로부터 코어 및 메모리 관련 2가지 전압을 공급받는다. VRM은 이들 전압을 보다 정밀하게 클럭 및 전력 소스에 분배하며 VRM 내장을 통해 이전보다 CPU에 융통성있는 동적 파워 공급 및 에너지 절약이 가능해진다.

VRM 통합의 장점은 메인보드 VRM 즉 전원부 간소화가 가능해지며 각 부분별 전력 관리 및 효율을 개선할 수 있다. 메인보드 제조사는 그만큼 간소하게 메인보드를 제작할 수도 있다. 하지만 VRM을 위한 별도의 회로가 추가되므로 이로 인해 TDP 상승의 여지가 있으며 실제 TDP 스펙도 증가했다.

아이들 및 로드시 전력/ 성능 개선, DDR 파워 게이팅, 파워 최적화 (CCPM, Power Optimizer), 새로운 파워 스테이트 (Power States), 가변 TDP, LPM 등의 전력관련 지원도 강화된다.

와트당 성능비 전반의 개선과 CPU 코어에 낮은 전압 인가, 새로운 CPU 디자인으로 TDP 스펙은 증가했으나 제조 공정 최적화와 추가된 파워 스테이트는 성능 제한을 최소화하면서 시스템 전력 최적화를 가능하게 해준다.

하스웰은 새로운 파워 스테이트 (Power States) C-States를 지원하는데 데스크탑은 C0, C1, C1E, C2E, C3, C4, C6, C7의 단계, 초저전력 ULT 제품군은 데스크탑 단계 지원에 C8, C9, C10의 보다 깊은 단계의 절전 기능을 지원한다. 각 단계 전환도 이전보다 25% 가량 개선했다. 데스크탑과 달리 저전력 프로세서는 아이들시 S0ix 모드로 전력을 효율 및 소모를 줄일 수 있게 된다.

인텔은 마이크로 아키텍처와 전력 관려, 제조 공정의 조합을 바탕으로 아이들시 최대 20배 낮은 전력 소모가 가능할 것으로 소개했다. 그러나 최근 하스웰의 C6/ C7 절전 단계 지원으로 새로운 파워서플라이가 요구되는 것으로 알려졌다. 이는 하스웰이 파워서플라이 지원 기준이 더욱 강화된 것을 의미한다.

데스크탑 하스웰은 C6과 C7 절전 모드 상태를 유지하기 위해 최소 0.05A의 전류를 보내고 CPU 보조 전원으로 연결하는 12V2 레일은 0.6W의 최소 전력을 보낼 수 있어야 한다.

아이비브릿지까지는 하스웰과 달리 ATX 2.3 파워서플라이 가이드라인에서 CPU 전류 공급이 최소 0.5A의 기준을 만족하면 되었고 구형 파워서플라이는 이로인해 C6과 C7 절전 모드를 유지하기 어려워 시스템이 불안정해진다는 것이다. 시스템이 불안정해지면 파워서플라이 보호회로 (UVP/ OVP)가 동작하고 시스템 전원을 강제 차단하게 되는데 이때 보호회로를 제대로 갖추지 못한 파워서플라이는 고장 발생 가능성이 높고 시스템에도 영향을 주게 된다.

일각에서는 이를 방지하기 위해 새로운 절전 모드를 비활성화, 메인보드 제조사들이 C6과 C7 절전 모드 On/ Off 기능을 추가해야 할 것이라고 주장하기도 했다. 최근 파워서플라이 제조사들은 하스웰 지원 파워서플라이 리스트를 공개하고 있다.

오버클럭 개선한 4세대 코어 프로세서

하스웰은 샌디브릿지부터 이어지던 오버클럭 지원 제한 부분이 완화되어 오버클럭 잠재력을 더 이끌어낼 수 있는 가성능을 높여준다. 코어는 최대 80배수, 내장 그래픽 iGPU은 최대 60 배수 지원이 가능하며 메모리 클럭은 최대 2933MHz 설정, 인텔 XMP는 기존과 같이 XMP 1.3 규격을 지원한다.

샌디브릿지와 아이비브릿지는 베이스 클럭 즉 BCLK 클럭이 PCIe 등과 연결되어 클럭을 높이기 어려웠으나 하스웰은 각 시스템 컴포넌트에 영향을 최소화하며 CPU 코어와 그래픽 코어, 메모리 클럭을 독립적으로 향상 가능하다.

또 배수락이 해제된 K 시리즈 뿐만 아니라 베이스 클럭도 1.0/ 1.25/ 1.67 (100MHz/ 125MHz/ 167MHz, 기가바이트 Z87 메인보드는 2.50 (250MHz)도 지원하며 경쟁 제품도 이와 유사할 것으로 예상)의 배율 조절이 가능하다. 이는 샌디브릿지-E (Sandy Bridge-E) 프로세서가 1.0/ 1.25/ 1.67 배율을 조절했던 것과 유사해 오버클럭이 조금 더 자유로워졌다.