데스크톱 넘었다?! 모바일 프로세서 발전상 진단

Computerworld

작은 크기와 더 우수한 성능을 추구하는 연구를 지속해온 가운데, 스마트폰 프로세서가 마침내 데스크톱이 성취하지 못한 새로운 차원에 도달하는데 성공했다. 단순 멀티 코어 CPU를 넘어, 서로 다른 코어 크기와 유형을 집약시킨 멀티 코어 구조를 구현한 것이다.

퀄컴의 기술 마케팅 매니저 시스코 쳉에 따르면 퀄컴의 플래그십 모델인 스냅드래곤 820(Snapdragon 820) 시스템 온 칩(SoC, System on a Chip)에는 서로 다른 두 개의 중앙 프로세서 유형이 결합돼 있다. 이에 더해 칩의 그래픽, 카메라, 센서, 위치, 주변기기, 와이파이, 블루투스, 시그널, 무선 모뎀, 메모리 프로세서 및 컨트롤러 각각이 구현하는 작업 효율성은 CPU의 역량을 넘어선다고 그는 덧붙였다.

지난 11월 퀄컴은 스냅드래곤 820의 후속 모델인 스냅드래곤 835를 선보이기도 했다. 고속 충전 기능까지 내장한 모델이다.

모바일 시장에서 촉발된 이 강력한 진보는 향후 데스크톱 환경으로 확장될 예정이다. 일부에서는 한발 더 나아가 모바일, 데스크톱 시스템 간의 융합까지 가능할 것으로 전망하고 있다.



모바일 프로세서 현황

하드웨어 리뷰 및 분석 사이트 에이낸드테크(AnandTech)의 에디터 조슈아 호는 “멀티 코어 기법은 데스크톱 환경에서 먼저 등장했지만, 후발주자인 스마트폰 시장이 그 격차를 따라잡는 데에는 그리 오랜 시간이 걸리지 않았다. 데스크톱들이 싱글 코어에서 듀얼 코어로 변화하는 데에는 몇 년의 시간이 걸렸지만, 모바일 기기들은 6-12개월만에 그 변화를 완성했다. 그 첫 시작은 2011년 삼성 갤럭시 S II였다”라고 설명했다.

데스크톱 시장의 경우 인텔의 x86 프로세서가 주류를 이루고 있는 것과 달리 모바일 기기 시장에서는 영국의 ARM 홀딩스가 설계한 프로세서가 지배력을 확보하고 있다. (ARM은 ‘Advanced RISC Machines’의 약자로, 2016년 9월 도쿄 기반 다국적 기업 소프트뱅크 그룹(Softbank Group)에 인수됐다.)

마이크로컴퓨터 컨설턴트 짐 튤리는 “인텔 x86 프로세서가 데스크톱 생태계를 지배하고 있는 것처럼 모바일 시장은 ARM 프로세서로 사실상 표준화되어 있다. 주된 이유는 마케팅 실력과 시장 기회지만, ARM의 경우, 정치적 이유도 추가된다. 영국계 기업인 ARM로서는 초창기 모바일폰 시장을 선도한 핀란드, 스웨덴 기업들에게 같은 유럽권 기업으로서 어필할 수 있는 부분이 있었을 것이다. 또한 ARM은 칩 디자인 라이선싱에도 개방적인 태도를 보이며 소형, 저전력 커스텀 칩 분야에서도 명성을 쌓아왔다”라고 설명했다.

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데스크톱 시장과의 또 다른 차이점으로, ARM은 프로세서를 자체 제작하지 않으며 부품, 완제품 제조사들에게 그 설계를 라이선싱 한다는 점을 이야기할 수 있다. 프로세서를 만드는 주체가 외주 업체들인 것이다.

무어 인사이츠 & 스트래티지(Moor Insights & Strategy)의 대표 패트릭 무어헤드는 “ARM은 다양한 프로세서 라이선싱 모델을 운영한다. 최상단 형식은 ARM이 자사의 명령어를 라이선싱하는 것이다. 현재 모바일 시장에서 ARM과 이러한 라이선스 관계를 맺는 기업은 퀄컴과 애플 두 곳이다. 두 기업은 ARM 명령어에 기초해 자체 아키텍처, 프로세서를 생산한다. 이 과정을 통해 생산되는 커스텀 코어의 시장 규모는 연 2,500만 달러 수준으로 추정된다”라고 설명했다.

무어헤드는 “이 방식 규모의 경제가 구현되면 경제성, 경쟁력을 확보할 수 있지만, 한편으론 보다 높은 시장 리스크를 져야 하는 방식이다. 개발품이 시장에 인도되기까지 1년 가량의 기간이 소요되는데, 그 사이에 시장이 변화하게 될 위험이 있기 때문이다”라고 설명했다.

명령어 라이선싱의 다음 단계로, 특정 코어의 전체 디자인을 라이선싱 하는 경우도 있다. 제조사에 설계를 전달하고 그것을 시스템 칩에 얹어내는 일련의 과정에 ARM이 참여하고, 그 결과에 대한 보장 역시 제공하는 방식이다. 이러한 모델은 로열티와 수수료로 인해 보다 높은 비용이 책정돼 유닛 당 단가가 두 배 가량 비싸진다.

ARM 홀딩스 측의 보도자료에 의하면 이들 기업이 운영하는 라이선싱 옵션은 최소 7가지다. 가장 저렴한 두 옵션은 학계, 실험용이며, 상용화에 제약을 받는다. 다음의 4종은 ARM의 관여 수준이 높은 상용 라이선스로, 투자 수준과 지식 기반에 대한 접근권이 넓고 라이선스 제약이 적은 대신 라이선싱 비용 역시 높게 책정된다. 마지막으로 최상단의 모델은 아키텍처 수준의 명령어 라이선스다.

보도자료에 따르면 ARM은 2016년 3분기 기준 1,396 곳의 기관과 유료 라이선스를 체결하고 있었으며, 이들 가운데 아키텍처 레벨 라이선스는 20 건이었다.

시장 연구 기관 크리에이티브 스트래티지(Creative Strategies)의 애널리스트 벤 바자린은 “가격대 600달러 이상의 플래그십 스마트폰 상품 대부분은 커스텀 ARM 프로세서를 채택하고 있었으며, 저가형 시장 역시 ARM의 일반 프로세서가 장악하고 있다. 퀄컴과 애플 두 기업은 기술적 측면에서 많은 차이가 있지만, 아키텍처 커스텀에 많은 시간을 투자하고 그를 통해 일반 스마트폰 보다 다채롭고 강력한 기능성을 제공한다는 점에서 공통점을 보여준다”라고 설명했다.

서로 다른 크기로 멀티 코어 구성
ARM이 멀티 코어 아키텍처와 관련해 취하는 기본적인 접근법은 대형 코어 하나와 소형 코어 하나를 연결하는 ‘빅.리틀(big.LITTLE)’ 스타일이다. 이 구조에서 대형 코어는 속도가 강조되는 주요 태스크들을 구동하는데, 그리고 소형 코어는 전력 효율이 강조되는 백그라운드 태스크를 구동하는데 이용된다.

ARM 홀딩스의 모바일 전략을 이끌고 있는 제임스 브루스는 “PC용 멀티 코어 x86 프로세서는 동일한 복수의 코어들을 연결한 구조다. 이와 달리 ARM은 빅.리틀이라는 콘셉트를 제안한다. 여기에 이용되는 코어들은 동일 리소스를 공유하는 양립적 대상들이지만, 그 초점은 효율성과 퍼포먼스로 각각 분할된다. 이는 스마트폰의 워크로드 니즈에 맞춰 CPU를 조정하는데 보다 유리한 방식이다”라고 설명했다.

그에 따르면 대형 코어는 분기 예측이나 비순차적 명령 처리 등의 정교한 작업을 담당하며, 소형 코어는 보다 적은 로직 게이트를 지닌 직렬 프로세서로서 전력 효율성을 강점으로 한다. 두 코어가 구동하는 머신 코드는 동일하며, 8 코어 표준 설정에서 대형 코어와 소형 코어는 각각 4개씩 포함된다.

브루스는 “동일 CPU를 두 방식으로 시행함으로써 사용자는 두 가지 주요 가치를 모두 누리는 것이 가능하다”라고 덧붙였다.


빅.리틀 구조를 구현하는 방법은 이 밖에도 다양하다. 쳉에 따르면 퀄컴은 스냅드래곤 820에 서킷 지오메트리(circuit geometry) 및 속도 외 모든 특성이 동일한 두 등급의 프로세서를 사용한다. 느린 속도의 프로세서는 물론 전력 효율 측면에서 보다 강점을 지닌다.

애플 측은 자신들의 ARM 활용 방안에 관해 별도의 공식 언급을 제공하지는 않지만, 듀얼 코어 디자인을 활용하는 것으로 공공연하게 알려져 있다. 크리에이티브 스트래티지의 바자린은 “애플의 듀얼 코어 디자인은 일반적인 8-코어 디자인보다 나은 성능을 보여주곤 한다. 핵심은 설계 품질에 있다. 자신들의 커스텀 GPU와 자체 소프트웨어를 잘 반영한 사용자 경험이 이들 기업의 최대 무기다”라고 분석했다.

반대로 많은 스마트폰 벤더들에서 복수 코어는 그저 마케팅 전략으로만 활용되기도 한다고 린리 그룹(The Linley Group)의 애널리스트 린리 그웨너프는 지적했다. 그웨너프는 “8은 중국에서 행운의 숫자로 여겨진다. 시장에 8-코어 폰들이 대세인 것에 이 이유를 무시하기 어려울 것이다. 기술적 측면이 모든 것을 결정하지는 않는다”라고 이야기했다.

멀티 코어의 가치?
스마트폰은 데스크톱과는 다른 방식으로 이용되는 도구다. 때문에 일부에서는 스마트폰에 더 많은 코어가 적용되는 것이 무슨 소용이냐는 보다 근본적인 의문을 제기하기도 한다.

무어 인사이트의 무어헤드는 “현재로서 스마트폰 애플리케이션의 구동에는 2-3개의 코어면 충분하다. 더 많은 코어가 효과를 발휘할 수 있는 경우는 앱을 업로딩 하는 동시에 휴대전화의 다른 기능들을 이용하는 등 몇몇 워크로드에 국한된다. 대부분의 앱들은 하나의 코어를 이용하고, 소수의 무거운 앱들이 2개의, 그리고 전체 앱을 업데이트하는 등 매우 제한적인 경우에 3개의 코어가 이용된다. 일부 게임 앱들의 경우 3개의 코어를 필요로 하는 경우도 있으며, 4 코어가 요구되는 아주 까다로운 앱들도 존재하긴 한다”라고 설명했다.

무어헤드는 “개인적으론 우리가 8 프로세서 코어를 진짜로 필요로 하는 용례가 등장하기까진 오랜 시간이 걸릴 것이라 내다본다. 백그라운드 태스킹, 멀티태스킹은 스마트폰의 역할이 아니다”라고 덧붙였다.

에이낸드테크의 호는 “시장에는 이미 기기 이용에 지장이 없을 만한 코어 수준이 구현돼 있다. GPU 등 여타 프로세서를 제외하면 단일 코어 유형 환경에서는 3-4 코어, 그리고 빅.리틀 구조에서는 2개의 코어면 충분하다. 퍼포먼스나 전력 효율 개선을 위해서는 프로세서 코어보다는 오히려 GPU나 벡터 프로세서, 영상 해독기, 고정 함수 블록 등을 추가하는 것이 필요하다”라고 설명했다.

SoC들에 이종의 기기들을 추가하는 방식의 발전은 이미 시장의 관심사다. 이종 시스템 아키텍처 재단(Heterogeneous Systems Architecture Foundation)이라는 기관이 이러한 활동을 보다 촉진하려는 노력을 펼치고 있다. 재단의 회장을 맡고 있는 존 글로스너는 모든 기기들이 동일한 메모리 공간을 공유하도록 하는 작업을 개선해야 할 과제로 이야기하며, 이를 위한 병렬화를 자동으로 다루기 위한 프로그래밍 언어의 근간이 될 공개 표준을 확립하는 것을 자신들의 장기적 목표라고 소개했다.

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"미래는 데스크톱 분야와의 융합"
ARM 홀딩스의 브루스는 스마트폰들의 벤치마크 스코어가 여느 노트북에 필적하는 수준을 기록하고 있음을 언급하며, 향후 두 세계 간의 융합을 전망했다.

브루스는 HP 엘리트 X3과 마이크로소프트 루미나 950 XL 스마트폰을 언급하며 이 두 기기가 윈도우 10 기기로서 대형 디스플레이와 키보드를 플러그인해 사용할 수 있다는 점을 이야기했다. 퀄컴의 쳉 역시 모바일 기기에 주변기기를 연결해 마이크로소프트 애플리케이션의 모든 기능의 구동을 지원하는 마이크로소프트의 컨티넘(Continumm) 기능의 의미를 강조한다.

쳉은 “융합이 현실화되고 있다. 새로운 미래는 곧 도래할 것이다”라고 말했다.

하지만 이런 전망이 적용될 분야는 비즈니스 사용자에 국한될 가능성이 크다. 통화와 서핑, 영상 감상 등 보다 캐주얼한 용도로 모바일 기기를 이용하는 일반 사용자들의 경우에는 성능 향상으로 체감되는 변화가 그리 크지 않을 가능성이 높다. 쳉 역시 이런 시각에 동의하며, 이같은 기술-용례 간의 간극이 발생한 데에는 앱 제조사들에게도 일부 책임이 있다고 지적했다.

쳉은 “앱을 멀티 스레딩(multi-threading)하는 것은 개발자들의 관심사항이 아니다. 그들은 최상급 기기들만이 아닌, 150달러짜리 저가형 폰에서도 동작하는 앱을 개발한다. 결국 일반 사용자들이 테크놀로지 진보의 효익을 피부로 느낄 수 있는 부분은 기존의 경험들을 보다 오래 누린다는, 전력 효율의 영역이다”라고 설명했다.

그러나 5G 무선 통신의 등장으로 모바일 기기에서도 광통신 수준의 속도를 구현할 수 있게 되고, 그로써 모바일 경험의 새 지평이 열리는 것은 주목할만한 변화라고 쳉은 덧붙였다. 다자간 화상 회의, 원격현실 앱 등 새로운 경험들이 가능해지고 그 지연률 역시 대폭 감소할 것이라는 게 그의 전망이다. 동시에 이런 변화는 모바일 기기 시장에 새로운 용례 제안, 클라우드 통합을 통한 앱 지원, 데스크톱과의 융합 촉진 등 새로운 과제를 안겨줄 것이라고 그는 설명했다.

코어와 관련해서는, “근시일 내 8코어 이상의 무언가가 등장하리라 보진 않는다. 시장은 이미 몇 년 전 이 수준에 도달해있지만, 이후 추가적인 발전은 정체되고 있다. 그 원인은 소프트웨어의 측면에서 찾아볼 수 있다. 아직 8코어를 온전히 이용하는 소프트웨어도 없는데, 16코어를 지원하는 것이 어떤 의미가 있겠는가?”라고 린리 그룹의 그웨너프는 설명했다.

컨설턴트 튤리는 “보다 다양한 프로세서 유형들이 유연하게 결합되는 이종 프로세싱 기법들이 등장할 것이다. 더불어 음성 인식 기술의 발달로 스크린 타이핑이 필요한 경우는 한층 적어질 것으로 전망된다”라고 말했다. 호는 이 같은 발전 가능성에 동의하면서도, CPU 설계의 측면에서 어떠한 급진적인 변화가 이뤄지는 일은 없을 것으로 본다고 덧붙였다. ciokr@idg.co.kr