애플 자체 칩 A13의 핵심 2가지··· '속도, 뉴럴 엔진'

Macworld
애플의 차세대 SoC(System-on-a-Chip)에 대한 공식 발표까지 아직 많은 시간이 남았다. A13은 탑재될 새로운 아이폰 모델과 함께 9월에 공개될 예정으로 알려져 있다. 그러나 설계와 생산, 테스트에 몇 년이 소요된다. 애플이 갑자기 무엇을 바꾸기 힘든 긴 시간이 소요된다는 의미이다. 즉, 의도와 목적 측면에서 A13 디자인은 이미 완성된 단계에 있다고 말할 수 있다.

따라서 과거 A 시리즈 칩과 애플이 올해 사용할 생산 프로세스에 대한 정보를 바탕으로 추정, A13 칩에서 기대할 수 있는 사항에 대한 정보를 얻을 수 있다. 속도는 애플이 지금까지 개발한 아이폰용 SoC 가운데 가장 빠를 것으로 거의 확신할 수 있다. 정확히 얼마나 더 빠를까?
 

향상된 7nm 프로세스에 기반을 둔 SoC

A13의 경우에도, 애플은 계속 칩 생산 기술을 선도하고 있는 생산 파트너인 TSMC와의 관계를 유지할 것으로 예상된다. 그러나 TSMC는 아직 새로운 칩 프로세스 노드에 있어 또 한 번 도약을 할 준비가 되지 않은 상태이다. 이 회사는 지난해에야 10nm 공정을 7nm으로 개선했다. 5nm 공정은 2020년 출시될 아이폰에 탑재될 수 있을 전망이다. 올해 모델은 지금처럼 7nm 프로세스에 기반을 두게 될 것이다.

그렇지만 생산 측면에서 성능 향상을 기대할 수 없다는 의미는 아니다. TSMC는 현재 일부 칩 레이어에 EUV(Extreme Ultraviolet) 리소그래피를 사용, ‘7nm+’ 공정을 강화하고 있다. 칩의 밀도가 동일한 면적에서 20% 더 많은 로직으로, 전력 효율성이 10% 개선되는 방법이다.

중국 사이트인 커머셜 타임즈(Commercial Times)의 최근 보도에 따르면, 애플은 A13에 아직은 공개되지 않은 새로운 7nm 프로세스를 사용하는 첫 번째 회사가 될 전망이다. 이것이 일반적인 7nm 프로세스를 강화한 버전인지, EUV 7nm+인지 여부는 명확하지 않다. 그러나 애플이 최고의 생산 기술로 A13를 출시할 계획을 갖고 있는 것은 분명하다. A12 및 A12X에 사용된 7nm 프로세스보다 성능이 향상된 프로세스이다.

A12에서 구동 트랜지스터 수가 놀라운 수준인 69억 개로 증가했다. 그러나 다이 면적은 애플이 아이폰에 집어넣었던 가장 큰 칩과 차이가 큰 약 83mm²였다. 9년 동안 가장 작은 아이폰 칩이었다. A5와 A10은 120mm²가 넘었다.

다시 말해, 애플 아이폰 칩은 일반적으로 A12보다 크다. 특히 1년 전과 동일한 생산 공정으로 새 칩을 생산하는 경우는 그렇다. 보수적으로 A13이 25% 더 큰, 약 103mm²가 될 것으로 추정할 수 있다. TSMC의 향상된 공정으로 밀도가 증가해 구동 트랜지스터도 100억 개가 될 전망이다. 이 개수는 아이패드 프로에 탑재된 A12X와 같다.
 

CPU 성능

A13의 구동 트랜지스터 수가 A12X와 동일할 것으로 예상하지만, 애플이 트랜지스터 버짓(Budget)을 동일한 방식으로 써서, 고성능 CPU 코어를 2개에서 4개로 증가시키는 일은 없을 것으로 판단한다. 그 보다는 계속 2개의 고성능 CPU 코어와 4개의 에너지 효율 코어를 사용할 것으로 예상한다. 단 고성능 코어 수를 2개에서 3개로 늘릴 실낱 같은 가능성은 있다.

아마 애플은 아키텍처를 일부 조정하고, 최대 클록 속도를 높이는 방법으로 CPU 성능을 향상시킬 것이다. 애플 칩은 이미 경쟁 칩보다 더 빠르고, 이런 ‘왕좌’를 유지하는 데 많은 노력과 투자가 필요 없을 것이다.




애플은 최근 몇 년 간 싱글 코어 CPU 성능을 꾸준히 향상시켰다. 이런 추세가 계속된다고 가정하면, 기그벤치(Geekbench) 4 싱글 코어 CPU 점수가 약 5,200점이 될 것으로 예상한다. 모든 안드로이드 스마트폰은 물론이고, 심지어 대부분의 울트라북 노트북 컴퓨터보다 나은 성능이다.



멀티 코어 성능은 예측하기 더 힘들다. A10에서 A11으로 넘어가면서, 모든 저전력 고성능 코어가 함께 동작할 수 있도록 디자인을 변경한 덕분에 멀티 코어 성능이 크게 향상되면서 추세선이 예측이 힘들게 끔 왜곡되었기 때문이다. 애플이 코어 수를 늘리지 않는다고 가정하면, A13의 멀티 코어 성능은 1만 2,200에서 1만 2,500 사이가 될 것으로 예상한다. 단순히 개별 코어가 더 빨라진 것을 반영한 결과이다. 만약 3번째의 고성능 CPU 코어를 추가한다면, 성능 점수가 크게 뛰어 1만 5,000~1만 6,000 사이가 될 것이다.
 

그래픽 성능

그래픽 성능은 애플에 아주 중요하다. 무엇보다 프리미엄 게임과 애플 아케이드 서비스를 런칭할 계획이라는 점을 감안하면, 특히나 더 중요하다. 2가지 관점으로 그래픽 성능을 판단할 수 있다. 게임 같은 전통적인 3D 장면을 렌더링하는 성능, 복잡한 비그래픽 컴퓨팅(예: 이미지 처리)에 GPU를 사용하는 성능이다.



A 시리즈 프로세서는 지난 몇 세대 제품에 걸쳐 전통적인 그래픽 성능이 꾸준히 향상되었다. 메모리 대역폭이 제약이 되는 경우가 많아. 한 해 만에 아주 크게 성능이 향상되는 경우는 드물다. 지금까지의 추세가 계속된다고 가정하면, 3D마크 슬링샷 익스트림 언리미티드 점수는 대략 4,500점 정도일 것이다. 애플만 놓고 보면 아주 큰 향상이지만, 최신 퀄컴 칩만큼 빠르지는 않다.



애플은 그래픽과 컴퓨팅 모두에서, 메탈API를 사용했을 때보다 칩을 더 빠르게 만드는 방향으로 더 많은 것을 학습하는 것으로 보인다. 개인적으로 이런 추세가 계속될 것으로 생각한다. GPU의 메탈 성능은 A11에서 A12으로 넘어갈 때만큼 크게 향상되지 않겠지만, 그래도 기그벤치4 컴퓨트 점수가 2만 5,000을 넘을 전망이다.
 

이미지 프로세싱과 뉴럴 엔진

애플이 A13의 성능을 A12보다 25% 향상시킬 것이라고 전망했다. 또 더 작은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집어넣을 수 있는 생산 공정을 사용할 것이라고 예상했다. A12보다 약 40%가 증가한 100억 개의 트랜지스터로 구성된 칩이 구현되는 것이다.  디자인을 약간 조정하고 클록 속도를 높여 CPU와 GPU에서 적당하면서 예측 가능한 수준의 성능 향상을 달성한다면, 남는 트랜지스터 버짓은 어디에 쓸까?

개인적으로 애플이 앞으로 계속 장치에 내장되는 머신 학습과 이미지 프로세싱에 아주 많은 투자를 할 것으로 판단한다.

애플은 지난 해, 예상을 훨씬 뛰어 넘는 수준으로 A12의 뉴럴 엔진을 향상시켰다. A11의 뉴럴 엔진은 초당 6,000억 연산(작업)을 할 수 있다. 그런데 A12는 초당 5조 연산(작업)이 가능하다. 대략 8배가 빨라진 것이다. 이번에는 이 정도의 성능 향상을 기대할 수 없을 것이다. 그러나 영리하게 디자인을 향상하고, 트랜지스터 버짓을 더 키워 3~5배의 성능 향상은 달성할 수 있을 것이다.



머신 학습과 AI는 아이폰 경험과 환경에 아주 중요하다. 사진과 비디오, 증강 현실, 시리 등을 강화할 수 있기 때문이다. 애플은 A13의 뉴럴 엔진은 초당 20조의 연산을 처리할 수 있다고 발표했다. 필자는 깊은 인상을 받았지만 놀라지는 않았다.

벤치마크가 힘든 또 다른 주요 구성 요소는 카메라 센서의 데이터를 처리할 때 사용되는 이미지 신호 프로세서이다. 애플은 매년 여기에 많은 투자를 하고 있다. 뉴럴 엔진 및 GPU와 함께, 사진 및 비디오 품질을 높이는 데 사용된다. 애플은 올해에도 이를 향상시킬 계획이다. 현재 많이 사용되는 HEVC, AVC, VP9 형식을 대체할 것으로 기대되는 로열티가 없는 비디오 압축 표준인 새로운 AV1 비디오 코덱을 인코딩 및 디코딩하는 하드웨어를 가장 먼저 도입할 전망이다. 무슨 이야기인지 모르는 사람들을 위해 간략히 설명하면, 몇 년 이내에 대부분의 웹 비디오(유튜브 등)가 이 새로운 비디오 형식으로 전환될 것이다. 아주 효율적이며, 로열티가 없는 코덱이기 때문이다.
 

5G는 지원하지 않음

아이폰 모뎀은 애플 A 시리즈 프로세서의 일부가 아니지만, 전망을 할 필요성은 있다. 올해에는 5G에 대한 소식이 더 많이 나올 것이며, 이동 통신 사업자도 가을부터 고객에게 새로운 5G 스마트폰을 마케팅할 것이다. 그러나 명심해야 할 부분이 있다. 5G는 아직 초기 단계이다. 네트워크가 좁고, 제약이 많다. 2019년 한 해 동안은 계속 그럴 것이다. 5G가 구현된 모바일 모뎀은 아직 비효율적이다.

언젠가 5G 스마트폰을 구입하게 되겠지만, 그것은 2020년이나 2021년 이후의 일이다. 아이폰에 신뢰할 수 있고, 전력 효율성이 뛰어난 모뎀이 탑재되기까지 이 정도 시간이 걸릴 것이다. 충실하게 하드웨어와 소프트웨어 테스트를 실시할 수 있는 충분한 네트워크 커버리지 확보에도 비슷한 시간이 필요하다. 애플은 몇 백만 명 정도에 불과한 얼리 어답터를 위해 아이폰을 판매하는 회사가 아니다. 새 아이폰 모델은 첫 해에만 1억 대 이상 판매될 것으로 예상된다. 애플은 사용자 경험이 미흡한 네트워킹 장치를 채택하는 위험을 감수하지 않을 것이다.

애플이 5G 셀룰러 모뎀 개발을 추진하고 있다는 소문이 끊기지 않고 있지만, 2019년에 채택되는 일은 없을 것이다. 올해 아이폰에는 A13과 함께, XMM 7660 같은 최신 인텔 모뎀이 장착될 전망이다. 아이폰 XS에 내장된 XMM 7560과 비슷한 모뎀이다. 그러나 더 높은 최대 속도를 지원하고, 더 많은 LTE 대역과 호환된다. editor@itworld.co.kr