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칼럼ㅣM1 울트라, 애플이 칩 설계에서 이룬 큰 도약 

2022.03.11 Jonny Evans  |  Computerworld
애플이 피크 퍼포먼스(Peek Performance) 행사에서 M1 제품군의 ‘마지막 칩(One last chip)’이라고 언급한 M1 울트라(M1 Ultra)를 발표했다. 여기에서는 이것이 무엇을 의미하는지 자세하게 살펴본다. 
 
ⓒApple

불가능을 단숨에 달성하다  
애플의 하드웨어 기술 부문 수석 부사장 조니 스로지는 이 칩을 소개하면서, “M1 맥스(M1 Max)보다 큰 칩을 만드는 데는 물리적인 한계가 있다. 그래서 업계에서는 일반적으로 듀얼 칩을 사용하지만 이러한 접근법도 효율 측면에서의 손실이 있다”라고 말했다. 

그에 따르면 이것이 애플에서 2개의 M1 맥 칩을 M1 울트라로 결합한 이유다. 스로지는 “애플 실리콘에서 M1 울트라는 또 하나의 게임 체인저이고, PC 업계를 다시 한번 충격에 빠뜨릴 것”이라며, “울트라퓨전(UltraFusion) 패키징 아키텍처로 2개의 M1 맥스 다이를 연결함으로써 애플 실리콘은 전례 없이 높은 수준으로 확장할 수 있었다. M1 울트라를 통해 맥 프로세서 제품군을 완성했다”라고 전했다. 적어도 현재로서는 그렇다. 

이어서 스로지는 어떻게 2개의 M1 맥스 칩을 하나의 M1 울트라로 결합했는지 설명했다. 그는 (이전에 논의된 적은 없지만 M1 맥스에 항상 탑재돼 있었던)  ‘다이-투-다이 인터커넥트 기술(die-to-die interconnect tech)’을 언급했다(과거에 누군가 이를 말한 기억이 나는데 관련 자료를 찾을 수 없었다). 

울트라퓨전이란? 
이 인터커넥트는 애플이 ‘울트라퓨전(UltraFusion)’이라고 부르는 독점 패키징 아키텍처를 사용한다. 애플은 이 아키텍처가 업계를 한참 앞서는 기술이라면서, 초당 2.5 테라바이트의 낮은 대기 시간과 인터-프로세서 대역폭의 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있다고 주장했다. 

이를 위해 울트라퓨전은 현행 기술이 가진 연결 밀도의 2배에 이르는 실리콘 인터포저(silicon interposer)를 활용한다고 스로지는 말했다. 실리콘 인터포저는 기본적으로 M1 울트라에 쓰이는 2개의 다이를 연결하는 패키지 내 인터커넥트다(필자는 애플이 TSMC의 3D패브릭(3DFabric) 기술을 울트라퓨전에 응용했다고 생각한다). 

작업은 더 일찍 시작됐지만 애플은 2021년 3월 첫 번째 관련 설계 특허로 보이는 것을 획득했다. 접근법은 특별하진 않다. AMD를 비롯한 다른 기업들도 PC 칩용 실리콘 인터포저 상호연결 기술을 개발한 바 있다. 

하지만 애플은 자사 기술이 경쟁사의 인터포저 기술보다 4배 더 높은 대역폭을 제공한다고 밝혔다. 애플의 발명에서 또 다른 중요한 요소는 개발자가 이 기술을 사용하기 위해 코드를 재작성할 필요가 없다는 점이다. 울트라퓨전에 의해 맥이 시스템 수준에서 이 칩을 두 개가 아닌 하나의 프로세서로 인식하기 때문이다. 이는 따로 코드를 조정할 필요 없이 애플리케이션이 2배의 트랜지스터에 액세스할 수 있고, 성능, 효율성, GPU 코어를 2배로 늘릴 수 있음을 의미한다. 

의미하는 바
M1 울트라는 코어 수가 2배이기 때문에 가장 복잡한 연산 작업도 처리할 수 있을 것이다. 실제로 M1 프로가 이미 대부분의 맥 사용자가 필요로 하는 성능을 지원한다는 점을 감안하면 이 칩은 더 나아가 새롭고 고도로 집약적인 환경을 제공하리라 예상된다. 3D 디자인, 영상, 음성 애플리케이션에서 활용할 수 있는 속도와 성능은 게임에도 도움이 된다. 아울러 M1 울트라가 64개의 그래픽 코어를 제공한다는 사실 역시 주목할 만하다.

이러한 기술의 조합은 애플이 (60W에서 실행될 때) 최신 12세대 인텔 코어 i9-12900K CPU보다 1.9배 더 강력한 칩을 구축할 수 있음을 의미한다. 즉, 더 적은 전력으로 더 강력한 CPU 성능을 얻을 수 있다. 이는 개인 사용자는 물론이고 수많은 하이-엔드 기기를 운영하는 기업에게도 이득이다. 전력 소비를 줄여 비즈니스 지출을 절감할 수 있어서다.

애플리케이션이 실행될 때 128GB의 대용량 통합 메모리도 처리할 수 있다. 이를테면 집약적인 연산 작업을 수행하느라 여러 대의 맥을 쓰는 전문 영상 제작 스튜디오가 이를 사용하면 상당한 예산 절감 효과를 얻을 수 있다. 게다가 훨씬 더 빠르기도 하다. CCS 애널리스트 벤 우드가 말한 것처럼 몇몇 전문 업체에게 이러한 기기에 대한 투자는 누리게 될 혜택을 고려하면 사소한 부분이다.

잠깐, 현실로 돌아오자
이러한 성능이 실제로 어떤 영향을 미칠지는 아직 알 수 없다. 하지만 첫 번째 긱벤치(Geekbench) 점수에서 M1 울트라를 실행하는 맥 스튜디오(Mac Studio)는 1,793점의 단일 코어 점수, 2만 4,055점의 멀티 코어 점수를 달성했다. 반면에 최고급 제온 W 맥 프로는 동일한 테스트에서 각각 1,152점, 1만 9,951점을 기록했다. AMD가 극찬해온 스레드리퍼 3990X는 2만 5,133점의 멀티 코어 점수 그리고 1,213점의 단일 코어 점수로, 이보다 약간 더 빠르다.

물론 실제 사용에서 벤치마크 점수는 큰 의미가 없다. 그렇지만 필자가 지금까지 M 시리즈 칩을 살펴본 결과, 이러한 테스트가 실제 애플리케이션 속도 향상으로 이어질 가능성은 매우 높다. M1으로 전환하면서 맥에서 어도비 애플리케이션의 성능이 거의 2배로 향상됐다는 점을 감안하면 앞으로 어도비가 M1 울트라에 관해 무슨 말을 할지 자못 궁금하다. 애플은 이 프로세서가 M1 맥 및 인텔 아이맥 시스템과 비교해 CPU 성능은 3.8배, GPU 성능은 4.5배, 머신러닝 속도는 3배 더 빠를 것이라고 주장했다.  

향후 전망 
발표를 마치면서 애플은 소개할 맥이 하나 더 있지만 다음 기회로 미루겠다고 말했다. 이를 맥 프로라고 생각하는 사람이 많지만 이 회사가 맥 프로에서 M1 울트라를 사용할지 아니면 다른 계획이 있는지는 불분명하다. 필자는 애플이 맥 프로에서 사용할 수 있는 추가적인 발열 관리를 활용하기 위해 M1 울트라의 설계를 더욱더 최적화하고 속도를 높이리라 예상한다. 

실제로 애플의 수석 실리콘 엔지니어는 발표 중에 설계 개선을 암시했다. 그리고 업계 전반에서 프로세서 기술이 한계에 도달하고 있다는 인식이 있다. 따라서 향후 개선 사항은 갈수록 다이 설계, 패키징, 아키텍처에서 이뤄질 것이고, 이는 애플이 울트라퓨전을 개발한 또 하나의 이유일 수 있다. 울트라퓨전은 추가적으로 칩 설계를 혁신할 수 있는 경로를 생성한다. 

통합 메모리 그리고 SoC에 배치되는 것의 지속적인 확장(예: 애플의 자체 5G 모뎀 설계 등)은 프로세서에 GPU를 포함시키는 것과 마찬가지로 추가적인 발전을 촉발할 전망이다. 또 애플이 2023~2024년 3nm 제조 공정으로 전환하기 시작하면 M-시리즈 프로세서를 3nm 설계 공정에서 제작할 수 있을 것이다. (업계의 나머지 기업들이 5mm 칩을 향해 느리게 나아가는 동안) 이는 필연적으로 성능, 속도, 효율성을 향상시킬 수밖에 없다. 

업계의 생각 
웨드부시의 애널리스트 대니얼 아이브스는 M1 울트라가 M1보다 7배 더 빠르다는 점을 강조하면서, “이는 거대 칩 메이커(예: 인텔 등)를 향한 또 한 번의 타격이라 할 수 있는 놀라운 기술적 성과다. 애플이 칩 제조사들을 데스크톱 진영에서도 이기고 있다”라고 말했다. 

에이낸드테크(Anandtech)는 “M1 맥스로 애플은 이미 다소 높은 기준을 세웠고, 이제는 M1 울트라로 이를 뛰어넘으려 한다. 애플이 이러한 목표를 달성할 수 있다면 불과 6개월 만에 SoC 설계 최고점을 두 차례나 경신하게 된다. 흥미롭지 않을 수 없다”라고 보도했다. 

하지만 한 가지 큰 의문점이 있다. 왜 M1 울트라 칩을 탑재한 맥 스튜디오가 M1 맥스를 탑재한 맥 스튜디오보다 2파운드 더 무거울까? 둘 다 동일한 빌트인 370W 파워 서플라이를 가지고 있다. 다른 점은 M1 울트라 모델은 구리 서멀 모듈이고, M1 맥스 맥 스튜디오는 알루미늄 히트싱크를 사용한다는 것이다. 

* Jonny Evans는 1999년부터 애플과 기술에 대해 저술해온 전문 기고가다. ciokr@idg.co.kr
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