[기획] HEDT CPU 전쟁의 시작, 코어 X 와 라이젠 스레드리퍼

전 세계에 데스크탑용 CPU를 제작하는 회사는 현재 딱 두개의 회사만 존재한다. Intel과 AMD

양사는 서로 더 좋은 CPU를 제작하고 발표해왔는데, 일반적인 소비자용 데스크탑 CPU는 두 회사 모두 제조해 왔지만, HEDT 즉 High-End DeskTop 전용 CPU는 Intel에서만 제작해왔다.

 

HEDT CPU는 렌더링 작업이나, 동영상 코딩 등 전문적인 작업에 적합한 CPU로 코어 수 가 많을 수록 속도가 빠르게 된다. 하지만 코어 수 만큼이나 가격도 천정부지로 뛰어오르게 되는데, 작년까지만 해도 HEDT CPU 시리즈 중 가장 상위 CPU였던 i7-6950X CPU는 200만원 이상의 가격으로 형성되어 있었다.

또한 CPU 가격도 가격이지만, 그러한 CPU를 활용하기 위해서 메인보드의 가격또한 수십만원대를 호가했고, 일반적인 소비자들은 CPU의 모든 기능을 활용하지 못했다. 하지만 그러한 높은 사양을 필요로 하는 수요층은 꾸준히 존재했으며, 전문가가 아니더라도 가장 상위 CPU를 쓰려는 마니아 층 또한 존재하여, HEDT CPU는 계속 출시되어 왔다.

그동안 HEDT CPU를 제작해왔던 Intel은 HEDT CPU 시장에 경쟁자가 없다 보니, Intel CPU이외의 선택지는 없었지만, 2017년 AMD에서 Ryzen 시리즈를 성공적으로 런칭시킨 것과 동시에 Ryzen 시리즈의 HEDT 버전 'Ryzen TREADRIPPER'를 출시해, HEDT CPU를 구매하려는 소비자들은 선택지가 늘어나 비교하고 두 CPU를 비교하고 구매 가능하다.

 

Intel의 HEDT CPU, CORE-X

Intel의 HEDT CPU는 꽤 오래전부터 지속되어 왔다. 2003년 펜티엄4 익스트림 에디션을 시작으로 Intel은 꾸준히 HEDT CPU를 출시해왔다. HEDT CPU의 경쟁사는 존재하지 않았고, 출시 후 '익스트림 에디션'이라는 이름으로 브로드웰-E CPU 까지는 시장점유율을 독식했다.

Intel의 HEDT CPU는 20013년 아이비브릿지-E CPU 부터 세대가 바뀌면 최상위 모델은 코어가 2개씩 증가하는 규칙을 가지고 있었다. 실제로 아이비브릿지-E가 6코어 12스레드를 가지고 있었으며, 하스웰-E가 8코어 16스레드로 증가했으며, 2016년 다음 세대인 브로드웰-E는 10코어 20스레드라는 괴물 CPU를 만들어 내었다.

물론 10코어 이상을 가지고 있는 제온(XEON) 시리즈 CPU도 있었지만, 개인용 CPU 중에서 렌더링이나 인코딩 같은 다중코어를 활용해 작업을 하는 전문가들은 인텔의 익스트림 에디션을 필수로 구매하기도 했다.

 

2017년 인텔의 새로운 익스트림 에디션 코어-X가 출시되면서 사람들의 관심을 크게 끌었다. 기존의 익스트림 에디션 CPU같은 경우, CPU의 열을 잘 방출하기 위해 금속과 금속을 붙이는 솔더링(Soldering) 방식으로 제작해왔는데, 이번 코어-X CPU부터 솔더링 방식이 아닌 서멀구리스 도포로 CPU를 제작하고 있다.

서멀구리스 도포로 인한 No-Soldering 코어-X의 높은 발열은 , 전 세대인 브로드웰-E 시리즈보다 코어 수, 작업 성능, 등 성능이 증가했음에도 불구하고, CPU의 온도 이슈로 인해 모두 묻히고 있는 상태이다.

하지만 온도 이슈 같은 부정적인 이슈 이외에 코어-X에서 주목해야할 것은 새로운 네이밍의 CPU가 출시되어 기존과 차별화를 두었다는 점이다.

 

기존의 익스트림 에디션은 i7의 네이밍으로 시작하는게 일반적이였는데, 인텔은 새로운 i9이라는 네이밍을 코어-X 상위 CPU에 붙여 출시했다. 단순히 네이밍만 바뀐 것이 아니라, CPU의 코어 개수 또한 크게 증가했는데, 가장 상위 CPU인 코어 i9-7980XE는 18코어 36쓰레드를 지녀, 제온 급의 CPU를 출시하였다.

또한 캐쉬구조 또한 바뀌었는데, 기존의 브로드웰-E CPU에서는 코어당 256KB의 MLC(L2)를 탑재하고 있었는데, 이번 스카이레이크-X에서는 코어당 1MB(1024KB)로 증가했다. 하지만 증가한만큼 코어에 할당되던 LLC(L3)는 2.5MB에서 1.375MB로 줄어들었다.

이외에도 기존의 HEDT CPU와는 다른 새로운 아키텍쳐로 제작되었는데, 지금까지 사용해왔던 링버스 아키텍쳐를 대신 메쉬 아키텍쳐라는 새로운 아키텍쳐로 제작되었다. 매쉬 아키텍쳐로 제작된 CPU는 코어-X가 처음은 아니지만, 제온을 제외한 개인용 CPU에서 처음 적용된 것으로, 그로인해 코어 수를 크게 늘릴 수 있었다.

 

▲ 메쉬 아키텍쳐 구조

지금까지 사용되었던 링 버스 구조는 이중 순환 정보 교환 체계로 코어 수가 늘어나다 보니 이를 처리하는 모듈이 많아져 코어가 점점 비대해지는 현상을 초래했다. AMD가 CPU의 코어 개수로 CPU의 멀티 코어 성능을 통해 Intel을 압박하기 시작하면서, Intel은 새로운 HEDT CPU의 코어 개수를 늘리기 위해 메쉬 아키텍쳐를 사용하여 대응하였다.

기존의 순차적 양방향 구조에서 벗어나, 메쉬 아키텍쳐는 코어 및 캐쉬, 모듈 사이를 마치 그물처럼 꼼꼼하게 연결시켰다. 그로 인해 전력 효율 향상, 낮은 지연시간, 멀티 코어 확장 유리, 낮은 클럭에서도 높은 대역폭을 얻을 수 있었다.

 

같은 코어 개수를 가지고 있는 브로드웰-E의 i7-6950X와 스카이레이크-X의 i9-7900X를 비교한 결과이다. CPU 클럭을 3.0GHz로 고정시켜 비교 했음에도 불구하고 차이나는 성능 차이를 보였다.

아키텍쳐 변화를 통해 프로세서 내부 요소들과 통신 속도가 비약적으로 향상되어 기존의 링버스 구조의 브로드웰-E 보다 좋은 성능이 도출되었지만, 변화로 인한 장점만 있는 것은 아니다.

 

베스트 페어 매치(Best Pair Match)를 기준으로 멀티코어 효율성 테스트를 진행해본 결과 각각의 코어 사이에 대역폭 성능은 아키텍쳐 변화를 통해 높일 수 있었지만, 캐시 구조 변경으로 인해 코어간 지연시간은 40%나 떨어지는 차이를 보였다.

기존의 HEDT CPU에서는 L1과 L2 캐시는 Inclusive, L3캐시는 Non-Inclusive 방식으로 제작되었으나, 코어-X에서는 L1, L2, L3 캐시 모두 Non-Inclusive 방식으로 동작하게 제작되었다. 그로 인해, 각 계층의 캐시가 모두 묶여 캐시 용량의 증대라는 긍정적인 효과가 나타나긴 하지만 상대적으로 느린 L3 캐시를 사용하기 때문에 코어 간 지연시간이 늘어지는 효과가 나타났다.

 

기존의 HEDT CPU의 최강자였던 Intel의 CPU는 그 명성에 알맞게 높은 성능의 HEDT CPU를 출시하고 있지만, 아키텍쳐 및 캐시구조의 변화로 이번 코어-X CPU 프로세서의 성공은 섣불리 예측하기 어려운 부분이 있다.

아직 코어-X의 최상위 라인업이 정식 출시 전이기 때문에, 코어-X에 대한 평가는 전 라인업 출시와 프로그램들의 메쉬 아키텍쳐 최적화 이후 평가해도 늦지 않을 것이다.

 

AMD의 반란, 젠 아키텍쳐의 THREADRIPPER 출시

한 때는 Intel이 AMD를 따라간다는 말이 있을 정도로, 잘 나가는 CPU 회사였지만, 여러번의 삽질을 통해 몰락 직전까지 떨어질 뻔하였다. 그동안 계속 적자를 기록했던 AMD가 PlayStation4와 XBOX One 같은 콘솔 게임기에 납품을 시작해 오랜만에 흑자로 바뀌게 되면서, CPU 개발에 비용을 투자할 수 있었고, 그 결과 젠(ZEN) 아키텍쳐를 바탕으로 제작된 Ryzen CPU가 출시되었다.

AMD는 기존 불도저 계열의 CMT(Cluster-based Multithreading) 구조 대신 Intel의 하이퍼스레딩과 비슷한 구조의 SMT(Simultaneous Multithreading) 구조를 도입 했으며, 정수와 부동 소숫점 명령어 스케쥴러, 마이크로-옵 디스패치 등 대대적인 개선으로 Ryzen CPU를 제작하였다.

Ryzen CPU 출시 후 멀티 코어로 인한 성능 향상은 사용자로 하여금 가성비 모델이라는 소리를 들으며 성공적으로 시장에 앉을 수 있었다. AMD는 여기에 안주하지 않고, Ryzen 7의 서밋릿지 다이 중 상위 5%를 선별하여 MCM(Multi Chip Module) 방식으로 제작한 AMD의 첫 HEDT CPU인 Ryzen THREADRIPPER를 출시했다.

Ryzen THREADRIPPER(이하 스레드리퍼)는 CPU 안에 4개의 서밋릿지 다이가 탑재되어 있지만 실제 작동하는 다이는 2개 뿐이다. 2개의 CCX로 구성된 하나의 다이는 CPU 내에 코어 일부가 불량이 나더라도 최소 2개의 코어만 정상이면 활용이 가능해 생산력 및 가격 경쟁력에서 높다.

또한 HEDT 프로세서 답게 쿼드 채널 DDR4메모리를 지원하고, PCIe 3.0 대역폭이 64레인으로, Intel의 코어-X의 상위 CPU가 PCIe 3.0 대역폭이 44인 것과 대조하면 큰 차이를 가진다. 또한 L3 캐시도 32MB로 16MB인 Intel의 상위 라인업보다 2배의 L3 캐시를 제공한다.

 

MCM 구조로 만들어진 스레드리퍼는 장점만 있는 것은 아니다. 두 개의 다이 속 코어가 서로 통신을 해야할 상황이 생긴다면, 두 다이 속 정보를 교환시켜줄 무엇인가가 필요하다. 쉽게 말해 서로 직접 교환하지 않고 무엇인가를 통해 통신을 거친다면, 정보 교환을 위한 통신 속도의 시간이 늘어나, 캐시/메모리 레벨에서 크게 성능이 떨어질 가능성이 있다.

AMD는 이러한 문제점을 잘 인식하고 있었다. MCM 방식을 통한 느려지는 정보 교환 속도는 '라이젠 마스터' 라는 프로그램을 통해 어느정도 보완할 수 있는데, Local 모드와 Distributed 모드를 통해 메모리 접근 제한 모드를 설정할 수 있다.

스레드 리퍼를 Local 모드로 설정하게 되면, 각 다이에 연결되어있는 메모리만 사용하도록 제한하여, 전체적인 메모리 대역폭이 떨이지게 되는 단점이 있지만, 시간 지연 문제는 상당히 크게 개선될 수 있다. 이러한 방식은 게임을 실행할 때 큰 빛을 바랜다. 하지만 작업을 목적으로 한 HEDT CPU인 만큼 스레드리퍼는 기본적으로 메모리 대역폭이 넓어 전송 속도를 높이는 Distributed 모드로 작동하게 된다.

 

실제로 Local 모드(게임모드)가 Distributed 모드(크리에이터 모드) 보다 게임 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. Local 모드는 코어 개수의 절반만 사용을 해 메모리 전송속도 시간을 줄여주어, 게임에서의 성능향상으로 이루어졌다.

하지만 항상 Local 모드로 설정해 놓으면, 코어 개수를 절반으로만 사용하여 다중코어를 사용하는 프로그램의 경우 성능이 떨어질 수 있어, 작업 환경에 따라서 모드를 알맞는 모드를 설정해 사용해야 한다.

 

AMD의 첫 HEDT CPU인 라이젠 스레드리퍼는 처음으로 만든 HEDT CPU이지만 준수한 성능을 지니고 출시되었다. 아직 인텔의 HEDT CPU인 코어-X시리즈와 장단점이 서로 있어, 두 CPU간의 우위는 정하기 힘들다.

사실상 인텔이 독점해왔던 HEDT CPU 시장에 스레드 리퍼를 선택지로 만든 것과 기술적 차이를 상당히 좁혔다는 것에 대해 AMD는 2017년 한해 합격점을 받을 수 있을 것이다.

 

HEDT CPU의 다중 코어의 활용

개인이 HEDT CPU를 쓰는 이유는 여럿 있을 것이다. 최고 성능의 PC를 소유하기 위해 구매하거나, 기본적으로 높은 성능을 필요로 하는 작업을 위해 구매할 수 있다. 당연한 말이지만, 일꾼이 많을 수록 하나의 일을 빨리 끝마칠 수 있는 것 처럼, 컴퓨터 또한 CPU 안의 코어 개수가 많을 수록, 렌더링이나, 영상 작업을 빠르게 처리 할 수 있다.

이러한 코어 개수의 증가는 생산력의 증가라고 할 수 있는데, 대신 이 말의 전제조건은 프로그램이 코어를 전부 사용할 줄 알아야 한다는 것이다.

 

다중 코어가 작업자에게 좋은 이유는, 결국 렌더링 작업속도의 단축 때문이다. 렌더링은 사전적 의미로 그림자나 색상, 농도 등을 고려하면서 2차원이나 3차원 데이터를 영상으로 변환하는 과정인데, 모든 변환 과정이 수치와 방정식을 이용해서 작업하기 때문에, 작업 단축 속도는 코어 수에 비례하게 된다.

렌더링 프로그램 이외에도, 가상악기를 사용하여 음악 작업을 하는 큐베이스 등 작곡 프로그램에도 CPU의 코어 수는 좀 더 많은 악기를 사용하여도 버틸 수 있는 힘을 제공하게 된다.

 

실제로 간단하게 렌더링 성능을 측정해 볼 수 있는 '시네벤치' 프로그램을 통해 측정해보면, 코어 수가 많은 HEDT CPU들이 좋은 점수를 얻는 것을 확인할 수 있다.

하지만 코어 수가 많다고 성능이 좋아지는 건 작업 성능이지, 일반 사용자가 사용하는 프로그램들은 대부분 코어 전부를 사용하지 못해, 성능 향상을 체감하기 어렵다. 더욱이, 게임 성능에서는 HEDT CPU가 일반 데스크탑용 CPU보다 밀리는 경우도 있다.

일반적인 웹서핑, 오피스 작업이나 게임 사용이 목적이라면, HEDT CPU와 일반 데스크탑 CPU와의 차이가 없으니 굳이 비싼 HEDT CPU를 구매할 필요는 없다.

 

HEDT CPU, 앞으로의 미래는?

아직은 개인 소비자들에게 다중 코어를 장점으로 내세우는 HEDT CPU는 시기상조라고 생각한다. 하지만 구매할 만한 가치는 분명히 존재하며, 1인 미디어 시대에 맞물려 동영상 렌더링 부분에서의 HEDT CPU의 수요는 크게 증가하고 있다.

현재 높은 사양을 요구하는 4K 그래픽이나, VR 시스템의 렌더링을 위해 HEDT CPU는 좀 더 발전해야 할 필요가 있다. 또한 AMD의 스레드리퍼는 처음 나온 HEDT CPU인 만큼 앞으로 좀 더 발전되는 모습을 볼 수 있을 것이다.

그동안 HEDT CPU 시장에 독자적인 위치에 서있었던 인텔에 대항하여 HEDT CPU를 처음으로 선보인 AMD는 구매자로 하여금 고민을 하게 만들었다는 사실 하나만으로도 충분히 성공했다고 볼 수 있으며, 인텔은 지금까지의 HEDT CPU를 제조해온 기술력으로 경쟁을 통해 더 성능이 뛰어난 CPU를 제작할 것이다.

경쟁이 있어야 기술이 발전한다는 말이 있듯이, 그동안 인텔의 독무대였던 HEDT CPU시장의 큰 발전이 기대되는 부분이다.

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