2000년 이후 CPU 플랫폼 전환

2000년 이후 CPU 발전의 중심은 클럭 올리기에서 멀티코어, 통합 메모리 컨트롤러, 칩렛·타일, 전용 가속기로 옮겨 갔다. 전력과 배선 한계 때문에 코어 하나의 주파수만 높여 성능을 계속 확장하기 어려워졌다. 대신 코어 수와 캐시, 병렬성, 동적 전력 관리가 성능을 가르는 요소가 됐다.

메모리 컨트롤러가 칩셋 노스브리지에서 CPU 안으로 옮겨 가면서 메모리 지연시간은 줄었다. 대신 CPU 소켓과 지원 DDR 세대가 강하게 묶이게 됐다. PCIe 컨트롤러도 CPU로 들어와 GPU와 NVMe가 CPU Lane을 직접 쓰게 됐고, 칩셋 연결은 공유 업링크로 바뀌었다.

2010년대 후반의 칩렛은 작은 코어 다이와 I/O 다이를 고속 인터커넥트로 묶어 수율과 제품 확장성을 개선했다. Intel의 타일 구조도 연산과 그래픽, SoC, I/O 기능을 나눠 담는다. 패키지는 이제 단일 다이를 보호하는 껍질이 아니라, 여러 다이와 메모리를 연결하는 작은 시스템에 가까워졌다.

2020년대 PC에는 GPU뿐 아니라 NPU와 미디어·보안 엔진이 함께 들어갔다. 그래서 성능을 비교할 때 CPU 코어 수만 보면 부족하다. 어떤 작업이 어느 엔진에서 실행되는지, 메모리 대역폭과 소프트웨어 지원이 따라주는지까지 봐야 한다.

통합이 바꾼 호환성과 병목

메모리 컨트롤러 통합은 AMD K8 계열과 Intel Nehalem 계열에서 서로 다른 시기에 진행됐다. 컨트롤러가 CPU로 이동하면서 DDR 세대와 채널 수, DIMM 구성의 전기적 한계도 CPU의 특성이 됐다. 다만 지원 속도는 CPU만으로 결정되지 않고 보드 배선·DIMM 개수·펌웨어와 함께 정해진다. 구형 노스브리지 방식과 현재 플랫폼의 메모리 문제를 같은 부품 위치에서 찾으면 원인 후보가 달라질 수 있다.

다중 소켓 시스템에서는 각 CPU가 가까운 메모리를 가지므로 다른 CPU에 연결된 메모리에 접근할 때 추가 경로를 거친다. 이 NUMA 구조는 코어 수를 늘리는 것과 메모리 지연을 같게 유지하는 것이 별개의 문제임을 보여 준다. 칩렛과 타일도 내부 연결 비용이 있으므로 소프트웨어의 작업·메모리 배치와 캐시 구조가 중요해졌다.

멀티코어·GPU·NPU는 병렬 실행 또는 특정 계산을 효율적으로 처리하지만 모든 프로그램을 자동으로 가속하지는 않는다. 직렬 실행 구간과 데이터 이동이 남으면 가속기의 최고 성능이 높아도 전체 작업 시간은 그 비율로 줄지 않는다. CPU 패키징과 인터커넥트와 클럭·대역폭·지연시간은 이 변화를 현재 시스템의 구조로 연결한다.

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참고 링크

• Intel — Nehalem 통합 메모리 컨트롤러와 QPI
• AMD — 2003년 Opteron 도입 기록