컴퓨터 칩의 공정개선이 더뎌지고 있는 와중 새로운 신제품들은 전세대 제품들보다 성능을 향상시켜야 하는 것이 기업이 해야 할 일이고, 그럼에도 불구하고 매 세대별로 설계변경을 통한 성능의 향상이 한계에 다다르는 현재.

 

 가장 쉽게 칩의 성능을 향상시킬 수 있는 방법은 높은 전력을 할당하는 것으로, 같은 공정의 같은 제조설계라면 전력을 많이 할당받을 수록 성능은 증가하게 됩니다. 하지만 높은 전력의 소모는 필연적으로 높은 수준의 열을 발산하기 때문에 스마트폰 크기의 폼팩터에서 30분 이상 섭씨 40도 안팎의 온도를 유지하면서 꾸준한 성능을 내게끔 할 수 있는 최대 전력소비량은 기껏해야 5W 내외에 불과합니다.

 

 그런데 언제부턴가 스마트폰 AP의 소모 전력은 높아져만 갔고 안드로이드의 칩셋과 애플의 A칩 모두 멀티코어를 모두 최대 소비전력은 10W 를 훌쩍 넘기게 됩니다. 하지만 스마트폰을 사용하는 대부분의 작업은 기껏해야 4W 이내에서 발생하며 심지어 AP를 혹독하게 사용한다고 알려져 있는 원신 같은 게임에서 조차 CPU와 GPU를 모두 합쳐 5~7W 사이의 전력만을 사용합니다.

 

 결국 위와 같은 이야기를 종합하면 스마트폰 AP에서 가장 중요한 것은 "낮은 고점, 높은 고점" 이 아니라 고점은 낮더라도 저전력에서 높은 성능, 즉 저점이 높은 것이 체감성능과 배터리, 발열 모두 뛰어나다고 할 것입니다.

 

 그리고 이 부분이 ARM 레퍼런스 코어가 매우 실망스럽고, 애플의 A칩이 매우 잘하고 있는 부분이기도 합니다.

 

 

 상단의 그래프가 퀄컴의 최근 몇년간의 플래그십 AP인 스냅드래곤 8 시리즈의 CPU전성비 곡선이고 우리가 주목해야 할 부분이 멀티코어 2500점 부근의 소모전력입니다.

 그래프를 통해 알 수 있는 데이터는 TSMC의 4nm 공정인 스냅드래곤 8+ Gen 1 이나, 8 Gen 2 는 물론, 7nm 공정이었던 스냅드래곤 865 에 비해서도 삼성파운드리의 5nm, 4nm 공정인 스냅드래곤 888 과 스냅드래곤 8 Gen 1 의 동일성능 대비 소모전력이 높다는 것입니다.

 결국 888 이나 8 Gen 1 이 865 에 비해 고점은 더 높음에도 불구하고 통상적인 작업에서는 같은 성능을 내려면 더 높은 전력을 소모해야 하고 그로 인해 더 높은 수준의 발열을 낼 수 밖에 없었다는 이야기가 됩니다. 심지어 CPU에 한해서는 888 에 비해서 8 Gen 1 이 더 전성비가 좋지 않아 삼성 파운드리의 4nm 공정이 얼마나 처참했는지 알 수 있는 직접적인 자료라고 할 수 있습니다.

 

 

 

 특히 삼성 파운드리의 4nm 공정 스냅드래곤 8 Gen 1 의 CPU 는 어느 부분이 문제였을까요?

 

 리틀코어를 무시하고 미들코어와 빅코어의 싱글코어 성능만을 비교했을 때 매우 흥미로운 결과를 볼 수 있습니다. 스냅드래곤 8 Gen 1 의 싱글코어는 빅코어인 ARM Cortex-X2 보다 A710 코어의 전성비가 더 좋지 않습니다. 극단적으로 말해 칩 사이즈를 키워 미들코어인 A710을 전부 제거하고 빅코어만 4개를 넣는 편이 오히려 더 전성비가 좋았을겁니다.

 그에 비해 TSMC가 제조한 스냅드래곤 8+ Gen 1 과 스냅드래곤 8 Gen 2 의 경우에는 빅코어의 전성비와 미들코어의 전성비가 비슷한 수준이거나 미들코어의 전성비가 더 좋은 구간이 있기 때문에 일상 작업에서 가장 부하가 많이 걸리는 미들코어의 전성비에서 상당한 향상을 볼 수 있습니다.

 

 

 

 그렇게 실전 테스트를 진행하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

스냅드래곤 8 Gen 1은 CPU부터 전성비가 좋지 않다보니 초기부터 CPU클럭을 상당히 높여 60프레임을 유지하는 초반 3분동안은 평균 7.6W 의 전력을 소비하는데 이는 A15 바이오닉이 탑재된 아이폰 13 프로 맥스의 5W 에 비해 상당히 높은 수치입니다.

 위에서도 말했다시피 스마트폰 크기에서 5W 이상의 소비전력은 급격한 온도상승을 불러올 수 있기 때문에 스로틀링 기준이 상대적으로 여유있는 엔지니어링 기기조차 테스트 3분 이후 스로틀링으로 인해 CPU클럭의 저하, 그로 인한 게임 프레임 저하를 직접적으로 확인할 수 있습니다.

 다행히도 스냅드래곤 888 보다 8 Gen 1 이 CPU 전성비가 좋지 않은 사실에도 불구하고 GPU의 큰 성능향상으로 실제 게이밍 성능은 비슷한 전력소모임에도 불구하고 비슷한 수준입니다, 만약 스냅드래곤 8 Gen 1 의 GPU가 888 과 비슷한 수준이거나 소폭의 상승에 그쳤다면 상황은 더 악화되었을 것입니다.

 

 

 

 퀄컴은 2년간의 잘못된 선택이 치명적인 결과를 가져왔다는 것을 깨닫고 몇가지를 개선했습니다. 가장 좋은 것은 제조 파운드리를 다시 TSMC로 변경한 것, 그리고 두번째는 코어의 구성을 1+3+4 에서 1+(2+2)+3 으로 변경한 것입니다.

 퀄컴이 4개의 리틀코어를 구성한 것은 부족한 리틀코어의 성능을 물량으로 공략해 리틀코어의 낮은 성능으로도 최대한의 효율을 당겨보자는 것이었지만 현실은 이상과 너무 달랐습니다. 리틀코어의 전성비도 딱히 더 좋지 못했고, 미들코어를 오히려 하나 더 늘리는 것이 앱 사용, 게임 등에서 더 효율적이란 것을 알게 되었습니다.

 

 

 

 많은 앱들이 이미 멀티코어를 지원하는 상황에서 3개의 미들코어가 2.8GHz 만큼 필요한 작업을 한다면 4.7W 의 전력을 소모하지만 미들코어가 4개라면 2.05GHz 로 작동해 3.3W 의 전력만 있으면 됩니다.

 1+3+4 구성일 때 3개의 미들코어만으로 부족한 작업에서는 빅코어인 X코어까지 사용해야 했지만

1+(2+2)+3 구성에서는 빅코어를 사용하지 않아도 충분히 그 성능을 발휘하고 전력도 억제할 수 있습니다.

 

 

 

 그렇게 스냅드래곤 8 Gen 2 의 원신 테스트를 보면 30분간 50대 후반 프레임을 유지하면서도 5.7~5.9W 로 스냅드래곤 8 Gen 1 당시의 7.6W 에 비하면 훨씬 적은 전력만으로도 게임을 구동하는 모습을 확인할 수 있습니다.

 특히 위에서 언급한대로 인상적인 부분은 CPU의 작동클럭, 빅코어는 1.5GHz 도 채 되지 않는 낮은 클럭으로, 미들코어 역시 2GHz 미만의 클럭으로 작동하면서 높은 프레임을 내는데 스냅드래곤 8+ Gen 1과, 8 Gen 2 의 CPU 성능차이가 크지 않다는 것을 고려하면 스냅드래곤 8+ Gen 1 과의 소비전력 차이도 인상적입니다.

 다만 이렇게 빅코어를 내리고 미들코어를 메인으로 사용하는 스케줄러는 제조사에 따라 다르게 잡을 수 있기 때문에 8 Gen 2 가 탑재된 다른 기기들의 분석도 봐야 할 필요성이 있습니다.

 

 

 퀄컴은 2년간의 긴 방황을 마치고 다시 원래 부모의 품으로 돌아와 상당히 만족할 수 있을만한 칩셋을 출시했습니다. 그 실패과정에서 삼성 파운드리는 전체적인 전성비 뿐만이 아니라 빅코어보다 효율이 나쁜 미들코어를 만들어낸 잘못을 반성해야 할 것입니다.

 하지만 TSMC의 제조로 많은 것이 나아졌다지만 여전히 "높은 고점" 에 집착하는 ARM레퍼런스 코어의 성능은 아쉽고 그렇기에 퀄컴의 차세대 CPU인 Oryon 이 더 기대될 수 밖에 없습니다.