PC가 처음 선보인 이래 지금까지 노트북 PC의 궁극적인 지향점은 ‘성능과 이동성, 배터리 수명의 균형’이다. 하지만 현실적으로는 이 세 가지를 모두 가질 수는 없고 어느 정도는 현실에 ‘타협’해야 한다. 일정 수준 이상의 성능을 위해서는 소비전력을 타협해야 하고, 더 큰 배터리를 장착하려면 무게와 두께 등 이동성을 타협해야 한다. 이동성과 배터리 수명에 집중하면 성능을 타협할 수밖에 없었다.
이러한 ‘균형’에서 제공될 수 있는 가치는 꾸준히 높아지고 있다. 이제 대부분의 일상적인 컴퓨팅 수요는 제법 얇고 가벼우면서도 하루 정도는 배터리만으로도 쓸 수 있는 노트북으로도 충분히 해결할 수 있다. 하지만 이러한 ‘일상’의 영역에서 노트북 PC가 상대해야 할 ‘도전자’들 또한 만만치 않다. PC와 성능 차이를 제법 좁힌 스마트폰과 태블릿은 물론이고, Arm 아키텍처 기반의 칩들은 이제 전통적인 PC 시장까지 겨냥하고 있다.
인텔의 ‘코어 울트라 200V’ 시리즈 프로세서는 앞으로의 ‘AI PC’ 시대에 인텔과 x86, 그리고 ‘PC’ 폼팩터의 경쟁력이라는 과제를 모두 안고 등장한 기대주다. ‘역대 최고 효율의 x86 프로세서’로 등장한 ‘코어 울트라 200V’ 시리즈는 프로세서를 이루는 구성 요소부터 구성 방법까지 모든 부분에서 큰 변화를 선보였다. 이를 통해, ‘코어 울트라 200V’ 시리즈 프로세서가 탑재된 노트북PC는 얇고 가벼우면서도 20시간 사용 가능하고 실용적인 성능에 AI 기술까지 부담없이 활용할 수 있는 지금까지의 기대를 넘어서는 모습을 선보인다.
성능 효율에 중점 둔 차세대 마이크로아키텍처
인텔의 새로운 2세대 ‘코어 울트라’ 프로세서 제품군은 코드명 ‘루나 레이크(Lunar Lake)’와 ‘애로우 레이크(Arrow Lake)’로 나뉜다. 이 두 제품은 같은 세대의 프로세서 마이크로아키텍처와 전반적인 ‘타일’ 기반 구성을 공유하지만 프로세서 내장 그래픽이나 신경망처리장치 등에서 차이가 있다. 패키징에서도 ‘루나 레이크’는 메모리까지 하나의 패키키로 묶어서 제품화에 필요한 메인보드 면적이나 전력 소비량을 최소화한 점도 눈에 띈다.
‘코어 울트라 200V 시리즈’로 분류되는 ‘루나 레이크’는 절대적인 성능보다는 프로세서와 플랫폼, 시스템의 ‘전력 효율’ 측면에 집중한 제품이다. 최신 세대의 프로세서 코어와 내장 그래픽, 신경망처리장치가 들어갔지만 코어 수는 P-코어 4개와 E-코어 4개로 총 8개고, 플랫폼의 열설계전력은 코어 울트라 9을 제외한 모든 제품군에서 전력 소비량과 이동성 측면에 초점을 맞춘 ‘17W’다. 지금까지 대부분의 메인스트림 노트북의 일반적인 열설계전력 기준은 28~45W 정도였고 이 시장에는 ‘애로우 레이크’가 투입된다.
인텔은 ‘코어 울트라 200V’ 시리즈에 대해 ‘역대 최고 효율의 x86 프로세서’로, 초대 코어 울트라 대비 2배 이상의 전력 효율과 함께 일상적인 오피스 작업 정도에서는 20시간의 배터리 사용 시간을 제공할 수 있다고 제시한 바 있다. 하지만 이 ‘코어 울트라 200V’는 엄밀히 말하면 기존 ‘코어 울트라’의 뒤를 잇는 제품이 아니다. 이는 초대 코어 울트라에 TDP 17W급 세그먼트에 대응하는 제품이 없었기 때문이다. 인텔은 이 제품을 멀리 보면 지난 2020년 선보였던 ‘레이크필드(Lakefield)’의 후속이라고 제시하기도 한다.
이번 ‘코어 울트라 200V’에서 또 다른 눈에 띄는 점은 인텔 역사상 처음으로 주력 x86 코어 영역까지 외주로 생산되는 제품이라는 점이다. 이미 전 세대 ‘코어 울트라’에서도 GPU나 SoC(시스템온칩) 타일에는 TSMC의 공정을 사용했다. 하지만 2세대 코어 울트라에서는 컴퓨트 코어까지 TSMC의 공정을 사용하고 타일을 결합하는 포베로스 공정에서는 인텔의 기술을 쓴다. 한편, 컴퓨트 코어는 TSMC의 N3B 공정을 사용하며 인텔의 설계가 타사 공정에서 어떻게 적용되고 어떤 경쟁력을 보이는지 비교 가능한 사례를 처음으로 만들었다.
2세대 코어 울트라 프로세서 제품군에 사용되는 P-코어 아키텍처는 ‘라이언 코브(Lion Cove)’다. 새로운 ‘라이언 코브’는 설계 단계부터 성능과 면적 효율을 극대화하는 것에 초점을 맞춰 최적화됐다. 인텔은 이 ‘라이언 코브’가 초대 코어 울트라의 ‘레드우드 코브(Redwood Cove)’ 대비 같은 동작 속도에서 14%의 성능 향상을 제공하며 같은 전력 소비량에서는 특히 저전력 영역에서 18% 이상 향상된 성능을 제공한다고 제시했다.
아키텍처 내부적으로는 비순차(Out-of-Order) 실행 엔진의 할당 폭이 6-wide에서 8-wide로 확장됐고 연산기들이 배치된 실행 포트는 12개에서 18개로 늘었다. 이 중 정수 연산 실행은 6개 포트가 할당돼 이전보다 한 개 늘었고, 연산을 위한 주요 유닛들도 이에 맞춰 더 늘었다. 벡터 유닛도 단일 곱셈 누산기(FMA) 유닛 2개는 유지되지만 산술 논리 장치(ALU)가 3개에서 4개로, 부동소수점 디바이더(FPDIV)도 두 개로 늘어나는 등의 변화가 있었다.
비순차 실행에서의 분기예측을 위한 분기예측 블록이 8배까지 늘어 분기예측 성능을 높였고, 정수연산과 벡터 연산의 작업 할당이 분리 구성됐다. 이는 추후 아키텍처 수준에서의 확장을 염두에 둔 변화이기도 하다. 이 외에도 향상된 AI 기반 전력 관리 기능이 들어가 효율을 높였다. 기존에 100MHz씩 움직이던 동작 속도는 이제 16.67MHz 단위로 더 세분화돼 성능과 효율의 최적점을 더 정교하게 찾아갈 수 있게 됐다.
최신 P-코어 마이크로아키텍처인 ‘라이언 코브’의 또 다른 특징은 인텔이 초대 코어 프로세서부터 초대 코어 울트라까지 지속적으로 유지해 오던 ‘하이퍼스레딩(Hyper-Threading)’ 기술을 제거했다는 점이다. 하이퍼스레딩 기술은 최신 프로세서들의 파이프라인 구조를 활용해 하나의 코어에 논리적으로 복수의 쓰레드를 만들어 동시에 처리해 내부 효율을 올리는 기술이다.
일반적으로 ‘하이퍼스레딩’ 기술은 멀티쓰레드 성능에서 30% 정도의 향상을 제공하지만 프로세서의 복잡성이 높아지고 전력 소비량 측면에서도 불리하다. 최근에는 이 기능에서의 보안 관련 문제들도 종종 제기되고 있는 상황이다. 인텔은 ‘라이언 코브’에서 하이퍼스레딩 제거로 싱글 쓰레드에서 전력 효율 15% 향상, 면적당 성능 효율 10% 향상을 달성했다고 언급했다. 인텔은 ‘하이퍼스레딩’을 제거해 P-코어 효율을 최적화하고 멀티쓰레드 성능은 면적 효율적인 E-코어를 좀 더 넣는 방향성을 선보이는 모습이다.
2세대 코어 울트라 프로세서에 사용된 E-코어 마이크로아키텍처는 ‘스카이몬트(Skymont)’로 이전 세대 대비 큰 폭의 성능 향상을 제공하는 것으로 관심을 모은다. ‘스카이몬트’에서는 이전 세대 대비 내부 아키텍처가 대폭 확장됐다. 특히 벡터 연산과 AI 처리 성능은 이전 세대의 두 배에 이를 정도다. 명령어 처리를 위한 디코더는 이전 세대보다 50% 증가한 9-wide 폭으로 늘어났다. 비순차 실행 엔진의 할당 폭도 8-wide로 이전보다 2개 늘었다.
내부적으로는 병렬 처리를 위한 비순차 처리 엔진의 규모가 제법 커졌다. 실행 포트 수는 26개까지 확장됐다. 특히 벡터 연산에서는 128비트폭의 연산기 4개를 갖춰 이전 세대보다 처리 성능을 두 배까지 높였다. 부동소수점 연산 과정에서의 지연시간도 줄였다. 이러한 변경점은 상당 부분 ‘AI 성능’ 향상으로 나타난다. 이 외에도 입출력과 메모리 접근 시스템에서도 큰 폭의 개선이 있었다.
이러한 변화로 나타나는 성능 차이는 제법 극적이다. 인텔은 루나 레이크의 저전력 E-코어에 사용된 ‘스카이몬트’가 기존 코어 울트라의 저전력 E-코어에 사용된 ‘크레스트몬트(Crestmont)’ 대비 정수 연산에서는 38%, 부동소수점 연산에서는 68% 향상된 성능을 제공한다고 제시했다. 싱글 스레드에서는 이전 세대의 최대 성능을 66% 적은 전력 소비로 달성하고 기존의 최대 전력 범위에서 70% 높은 성능을 제공하며 최대 성능은 2배까지 높아졌다고 발표한 바 있다.
작업에 따라 적절한 코어 자원을 할당하는 ‘쓰레드 디렉터(Thread Director)’ 또한 동작 방식이 조금 달라졌다. 기존 ‘코어 울트라’에서는 저전력 E-코어에서부터 작업이 할당돼 올라오는 형식이었는데 코어 역량 문제와 함께 스위칭 비용이나 지연시간 문제가 있었다. P-코어와 LP E-코어의 두 단계로 구성된 ‘코어 울트라 200V’에서는 첫 작업이 일단 LP E-코어부터 할당된다. E-코어의 성능이 이전 세대의 고성능 코어인 ‘랩터 코브’ 수준까지 올라오면서 더 많은 작업들을 E-코어만으로 해결할 수 있게 됐다. 이는 에너지 효율 향상으로 이어졌다.
AI 성능 강화 위한 최신 기술들 대거 선보여
오늘날 ‘AI’는 IT에서만이 아니라 사회 전반에서 가장 중요한 화두로 꼽힌다. 이를 활용하기 위한 ‘AI PC’는 향후 PC 시장 변화의 핵심 방향성으로도 주목받고 있다. 인텔 또한 ‘코어 울트라’에서 NPU를 프로세서에 탑재하며 ‘AI PC’ 시대의 개막을 알렸다. 마이크로소프트가 제시한 ‘코파일럿+ PC’ 기준의 핵심은 40TOPS(초당 40조회 연산) 성능을 갖춘 NPU의 탑재가 꼽힌다.
인텔 ‘코어 울트라 200V’ 프로세서의 기술 구성 전반에서도 ‘AI’에 대한 중요성이 잘 반영됐다. 특히 프로세서 뿐만 아니라 프로세서 내장 GPU, NPU 모두 AI 처리 성능이 대폭 높아진 것이 눈에 띈다. 코어 울트라 200V 시리즈 프로세서는 최대 48TOPS 성능의 NPU는 물론 GPU에서 67TOPS의 AI 처리 성능을 제공할 수 있다. CPU에서 담당하는 5TOPS를 더하면 총 120TOPS의 플랫폼 처리 성능을 제공한다.
‘코어 울트라 200V’ 프로세서 내장 GPU에는 인텔의 2세대 Xe 아키텍처 ‘배틀메이지(Battlemage)’ 기반이 처음 사용됐다. Xe 코어 수는 8개로 이전 세대와 동일한데 효율성을 높인 새로운 아키텍처를 통해 이전 세대 대비 50% 정도 향상된 성능을 제공한다. 또한 최대 8K HDR이나 3개의 4K HDR 디스플레이 출력을 활용할 수 있다. 미디어 엔진에서는 차세대 규격으로 기대되는 H.266/VVC 규격 지원이 추가된 부분도 눈에 띈다.
특히 코어 울트라 200V 프로세서 내장 GPU에서 주목할 만한 점은 XMX(Xe Matrix Extension) 지원이다. 지금까지는 외장형 ‘아크’ GPU에만 탑재됐던 XMX는 512비트 폭인 기본 벡터 엔진보다 4배 넓은 2048비트 폭을 제공한다. 단순히 생각하면, XMX는 GPU의 AI 연산 성능을 대략 4배 정도 올려줄 수 있다. 코어 울트라 200V의 내장 그래픽은 XMX를 기반으로 최대 67TOPS 성능을 제공할 수 있다. 게이밍에서도 더 나은 XeSS(Xe Super Sampling) 성능을 얻을 수 있다.
인텔이 코어 울트라 200V 프로세서에 탑재한 NPU는 ‘4세대’로 분류된다. 이전 세대 대비 4배 가까이 오른 48TOPS 성능과 2배 향상된 전력 효율을 제공한다. 코어 울트라 200V 시리즈에 탑재된 NPU는 마이크로소프트의 ‘코파일럿+ PC’ 요건을 충족하는데 실질적으로는 이 ‘코어 울트라 200V’ 시리즈만이 ‘코파일럿+ PC’의 성능 요건을 충족할 것으로 보인다. 타 세그먼트에 사용되는 ‘애로우 레이크’ 기반 제품에는 이전 세대의 13TOPS 급 NPU가 탑재될 것으로 알려졌다.
인텔의 4세대 NPU는 이전 세대 대비 기본 규모부터 3배 확장됐다. 기존 세대가 2개 뉴럴 컴퓨트 엔진(NCE) 모듈을 가지고 있었던 데 비해 4세대에서는 이 모듈 수가 6개로 늘고 MAC(Multiply and Accumulate) 연산기 수도 3배 늘었다. 아키텍처 측면에서도 업그레이드된 벡터 엔진 아키텍처와 향상된 대역폭 등으로 큰 성능 향상을 달성했다. 인텔은 새로운 4세대 NPU가 IP 대역폭은 2배, 벡터 성능은 12배, 종합적인 연산 성능은 4배 개선됐다고 발표한 바 있다.
전력 효율 측면의 장점도 더욱 강화됐다. 인텔은 새로운 4세대 NPU가 기존 세대의 최대 전력량 구간에서 이전 세대 대비 두 배의 성능을 제공하며 이보다 더 많은 전력 소비를 감당한다면 최대 성능은 이전 세대 대비 4배에 이른다고 소개했다. 이전 세대 ‘코어 울트라’와 비교하면 스테이블 디퓨전 1.5 기준 이미지 생성에서 전력 효율은 2.9배에 이른다고 언급한 바 있다.
권용만 기자 yongman.kwon@chosunbiz.com
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