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프로세서 설계의 가장 큰 적, 전력 소비량을 줄여라.

지난 20여 년 간 칩 설계자들은 18~24 개월 간격으로 프로세서의 성능이 배가된다는 무어의 법칙을 잘 지켜왔다. 그러나, 제조사들의 새로운 트랜지스터 개발 노력에도 불구하고 큰 폭으로 증가하는 프로세서의 전력 소비량 때문에 무어의 법칙은 한계에 다다랐다는 의견들이 나오고 있다.
 
  • 글쓴이 : 정호성(uglyduck@hwlab.com)  
  • 자료출처 : 하드웨어랩 - http://www.hwlab.co.kr  
  • 날짜 : [2003-12-10 16:38:08]

  • 인텔이 차세대 CPU를 선보일 때마다 프로세서의 전력소모량은 큰 폭으로 커져왔다. 1989년 486 프로세서가 첫 선을 보였을때만 하더라도 4W에 그쳤던 소비전력이 이후 아이테니엄(Itanium)에서는 130W 수준으로 크게 증가했다. 이에 따라 컴퓨터 시스템 설계자들은 부피가 큰 방열기와 소음이 큰 팬을 기본적으로 사용할 수밖에 없게 되었다. 그러나, 이러한 노력들에도 불구하고 현재 얼마나 많은 전력을 칩에 공급해야 하는지에 대해서도 다양한 의견들이 나오고 있는 추세이다.
    프로세서의 열 발생 이유
    CMOS 프로세서의 전력 소모(p)는 프로세서의 총 캐패시턴스(c), 공급 전압(v), 그리고 클럭 주파수(f)에 비례한다. 이를 등식으로 표기하면 p=cv2f다. 클럭 속도는 CPU 성능을 증가시키는 핵심 요인이지만 클럭 속도가 증가할 때마다 전력도 상승한다.

    총 캐패시턴스는 칩에 사용되는 트랜지스터 수에 비례한다.표에 나와 있는 각각의 신형 프로세서는 이전 모델보다 많은 트랜지스터가 집적되어 있으며, 이는 결과적으로 보다 높은 전력을 요구한다.

    이를 상쇄시키는 주요 요인이었던 전압은 지난 10년 동안 5V에서 약 1.2V로 떨어졌다. 전압 항목은 제곱된다는 점에서 전압의 하락은 발열에 상당한 영향을 미친것도 사실이다. 그러나 클럭 속도와 트랜지스터 수의 엄청난 증가세를 극복하기에는 이것만으로는 충분치가 않았다. 예를 들어 120만 개의 트랜지스터로 구성된 486DX는 50MHz의 속도로 동작했지만, 5천 5백만개의 트랜지스터로 구성된 펜티엄4는 3.2 GHz로 큰 폭으로 상승했다.

    CMOS 트랜지스터의 경우 최저 공급 전압은 약 0.8~1V이다. 이러한 한계점에 도달하고 나면 그 밖의 다른 트랜지스터 수나 클럭 속도의 증가는 전력 소모에 직접적인 영향을 미치게 된다. 결국 프로세서 아키텍처를 바꾸지 않는다면 전력 대비 성능의 향상은 공정을 낮춤으로서(예: 90nm→ 65nm) 실현될 것이며, 이것은 캐패시턴스를 매년 약 10%까지 낮출수 있게 된다.

    앞의 내용들을 정리해보면 다음과 같다.

    1. 공급전압을 한계 수준까지 낮추게 되면 성능을 2배 이상 향상된 수준까지 높일 수 있다.
    2. 100W의 프로세서를 PC에서 사용하게 되면 성능은 50% 이상 높일 수 있다.
    3. 전력 소모가 더 이상 증가하지 않는 경우 프로세서 설계 방식에서의 뚜렷한 변화가 없다면 PC 성능은 매년 거의 10% 증가하게 될 것이다.

    대응방안으로 고려되는 것들
    전력 소모는 아키텍처에서 회로 설계에 이르는 설계상의 모든 과정에 결정적인 영향을 미친다는 점에서 다른 무엇보다 중요하다.

    현재 고성능 프로세서에서 발생하는 전력 손실의 최대 원인으로 꼽을수 있는 것이 누설 전류다. 누설 전류는 트랜지스터가 최대 속도를 낼 수 있도록 설계될 때 증가되며, 칩이 최대 클럭 속도 및 공급 전압에서 운영될 때 상황은 더욱 악화된다. 만약 칩의 동작 속도를 지금보다 10∼20% 느리게 설계한다면 전력 소모를 50%까지 감소시킬 수 있을 것이다.

    마이크로 아키텍처에서 Out of order나 Speculative Execution 같은 특징들은 적절한 퍼포먼스 게인과 함께 전력 사용을 크게 증가시킨다. Out of order 프로세서는 어떤 명령을 언제 실행해야 하는지 결정하기 위해 많은 트랜지스터를 사용하기 때문이다.

    이러한 트랜지스터들은 명령을 실행하기 위해 전력을 소모하는데, 이론적 실행은 필요한 경우에만 명령이 실행되는 것을 뜻한다. 만약 필요하지 않은 명령까지 실행한다면 이는 분명히 전력 낭비로 이어질 수밖에 없을 것이다.

    현재 임베디드 프로세서 설계자들은 PC용 프로세서보다 훨씬 엄격한 전력 소비 문제를 겪고 있다. 지난 수년간 항상 순서대로 사이클 당 한두 개의 명령어만을 실행하는 단순 마이크로 아키텍처에 의존한 결과이다. 그러나 현재의 임베디드 프로세서들은 PC용 프로세서들보다 훨씬 우수한 전력 대비 성능을 가지고 있는데 PC용 프로세서들도 이처럼 하드웨어 유닛에 바로 접속해서 전력 감소 특성을 얻을 수 있도록 설계가 되어야 할 것이다.

    더불어서 명령어 셋과 이를 이용하는 소프트웨어의 발전도 필수적으로 이러한 변화가 없다면 CPU는 성능 개선의 여지는 없게 될 것이다.





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