1998년, 인텔은 코드 네임 드레이크(Drake)로 알려진 펜티엄 II 제온(Xeon) CPU를 출시했습니다. 인텔의 서버 CPU 브랜드로 자리 잡은 제온의 시작이었습니다. 인텔 제온이 처음부터 서버 CPU 시장의 강자는 아니었습니다. 하지만 일반 소비자용 CPU를 대량생산하면서 파생형인 제온 CPU를 저렴한 가격에 생산할 수 있었기 때문에 점점 서버 시장에서 비중이 커졌고 어느덧 서버 시장의 대세가 됐습니다. 비록 과거 AMD가 옵테론 시리즈를 들고나와 인텔을 위협했고 최근에는 에픽 시리즈로 다시 도전하고 있지만, 인텔 제온의 점유율은 아직 압도적입니다. 그런데 가성비로 제온의 점유율을 조금씩 갉아먹는 AMD의 에픽 CPU 이외에 인텔의 심기를 불편하게 만드는 다른 도전자가 있습니다. 바로 ARM 기반 서버 CPU입니다. 최근 아마존은 AWS에 자체 ARM CPU인 그라비톤 2(Graviton 2) 탑재 서버를 도입해 비용을 40% 정도 절감했다고 발표했습니다. 마이크로소프트나 구글 같은 대형 IT 공룡도 관심을 가질 만한 소식입니다. 이것만 해도 x86 서버 칩 제조사들에게 신경 쓰이는 소식이지만, 더 큰 문제는 ARM 서버 CPU를 만드는 회사가 아마존만이 아니라는 것입니다. 최근 미국의 마벨(Marvell) 역시 ARM 서버 CPU인 썬더 X3(Thunder X3)를 공개했습니다. 마벨은 주로 네트워크, 보안 및 컨트롤러 관련 칩들을 생산하는 팹리스 반도체 회사로 서버 CPU 제조와는 인연이 없었으나, 2018년 ARM 서버 CPU 개발사인 카비움(Cavium)을 인수해 이 시장에 뛰어들었습니다. 인수 다음해에 출시한 썬더 X2 프로세서는 ARMv8.2-A 기반 32코어 128스레드 서버 CPU로 마이크로소프트의 클라우드 서비스인 애저(Azure)에 사용되기도 했습니다. 썬더 X2 기반 슈퍼컴퓨터인 아스트라(Astra)는 Top 500 슈퍼컴퓨터 목록에 처음으로 이름을 올린 ARM 기반 슈퍼컴퓨터가 됐습니다.썬더 X3는 미세 공정을 16nm에서 7nm로 이전하면서 코어 숫자를 96개로 대폭 늘렸습니다. 스레드 숫자는 384개로 역대 최대 수준입니다. CPU의 절대 성능은 물론 전력 대 성능비도 인텔 제온이나 AMD 에픽보다 높은 이유입니다. 마벨은 발표 자료에서 인텔은 프로세스 리더쉽을 잃고 있으며 AMD의 칩렛(chiplet) 디자인은 메모리 레이턴시를 늘리고 대역폭은 낮춰 성능 향상에 제한이 있다고 공개적으로 비판했습니다. ARM 기반의 썬더 X는 이런 단점을 극복하고 높은 성능과 전력 효율을 달성했다는 것이 마벨의 주장입니다. 이런 과감한 주장처럼 서버 시장에서 성공을 거둘 수 있을지는 미지수지만, 코어 및 스레드 숫자에서는 신기록을 세웠다고 해도 무방한 CPU입니다. 반도체 업계에서 나름 알려진 이름인 마벨과 달리 아직 생소한 신생 스타트업인 암페어(Ampere)는 80코어 ARM 서버 CPU인 알트라(Altra)를 공개했습니다. 최대 3.0GHz로 작동하는 ARM v8.2+ 코어 80개와 8채널 DDR4 3200 메모리(소켓 당 최대 4TB)의 예상 성능은 아마존의 그라비톤 2(64코어)와 비슷할 것으로 예상됩니다. 참고로 그라비톤 2나 알트라, 썬더 X3 모두 TSMC의 7nm 공정 기반입니다. 암페어는 자체 개발한 1소켓/2소켓 서버를 출시해 ARM 서버 시장을 공략한다는 계획입니다. 신생 스타트업에서 IT 공룡까지 ARM 서버 CPU에 관심을 보인다는 이야기는 어느 정도 가능성이 보이기 때문으로 풀이됩니다. 본래 ARM 아키텍처는 x86보다 작고 전력 효율적인 CPU를 목표로 개발되었지만, 고성능 스마트폰에 대한 수요 덕분에 성능이 대폭 향상됐습니다. ARM이 연구 개발에 집중했을 뿐 아니라 삼성전자나 퀄컴 같은 거대 IT 기업이 선두에 서서 경쟁적으로 성능을 끌어올린 덕분입니다. 이제 ARM 기반 CPU는 서버처럼 x86의 아성이 견고한 분야까지 도전하고 있습니다. ARM 서버 CPU의 도전이 서버 시장의 경쟁을 자극하고 기술 발전을 촉진하는 활력소가 될 것으로 기대합니다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

지난 몇 년간 IT 테크 거인들의 경쟁은 점점 더 치열해지고 있습니다. CPU 부분에서는 그간 시장을 독점했던 인텔이 AMD의 거센 도전에 직면했고 클라우드 부분에서는 아마존의 AWS가 마이크로소프트의 애저와 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 메모리 부분에서는 인텔이 차세대 비휘발성 메모리를 내놓으면서 기존의 메모리 제조사를 긴장시키고 있습니다. 거대 IT 회사들의 치열한 경쟁은 어제오늘 일이 아니지만, 이런 거인들의 틈바구니에서 눈에 띄는 회사가 하나 있습니다. 바로 열거한 기업 중에서 상대적으로 규모가 작은 AMD입니다. AMD의 2019년 매출액은 67억 달러로 인텔의 720억 달러의 10분의 1에도 미치지 못합니다. AMD의 작년 영업 이익은 6억3,100만 달러인 반면 인텔은 220억 달러로 아예 비교의 대상도 되지 않을 정도입니다. 작년에 AMD가 CPU와 GPU 판매 호조로 인해 수익이 크게 개선되었음에도 격차를 조금 좁히는 데 그쳤을 만큼 본래 회사 규모가 작은 편입니다. 이런 열세를 극복한 것은 바로 기술력입니다. AMD가 회사 존망의 위기에서 사운을 걸고 개발한 젠 (Zen) 아키텍처는 인텔과의 성능 격차를 크게 줄였을 뿐 아니라 3세대 제품에 와서는 오히려 가성비에서 앞선다는 평가를 받고 있습니다. 인텔보다 앞서 7nm 공정을 도입하고 CPU 코어 숫자를 크게 늘릴 수 있는 칩렛 (Chiplet) 디자인을 적용해 데스크톱 CPU 시장뿐 아니라 전문가용 고성능 CPU 및 서버 시장에서 약진한 것입니다. 그리고 이제 AMD는 다른 IT 거인들에 맞서 세상에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터에 도전하고 있습니다. 미국 정부는 슈퍼컴퓨터 같은 거대과학 부분에서 강력한 경쟁자로 급부상한 중국을 견제하고 미국의 기술 헤게모니를 유지하기 위해 오바마 행정부 시절부터 적극적인 투자를 아끼지 않고 있습니다. 따라서 미국 정부 산하 연구소들은 주요 IT 기업에 연구 개발비를 주고 고성능 슈퍼컴퓨터를 연이어 도입하고 있습니다. 내년에 오크 릿지 국립 연구소는 AMD와 크레이(Cray)에서 프런티어(Frontier)를 아르곤 국립 연구소는 인텔에서 오로라(Aurora)를 도입할 예정입니다. 이 슈퍼컴퓨터의 연산 능력은 엑사플롭스(EFLOPS)급이기 때문에 엑사스케일 컴퓨터로 불립니다. 내년에 이 슈퍼컴퓨터가 도입되면 미국이 무난하게 세계에서 가장 빠른 컴퓨터를 보유한 국가의 타이틀을 계속해서 쥐게 될 것으로 보이지만, 중국의 추격 역시 만만치 않아 미국 정부는 다음 세대 슈퍼컴퓨터를 이미 주문했습니다. 2023년 도입 예정인 엘 카피탄 (El Capitan)이 그것으로 AMD와 크레이가 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에 납품할 예정입니다. 도입 비용은 6억 달러로 여기에는 연구 개발비도 포함됩니다. 시스템 개발은 크레이가 담당하고 AMD는 여기에 두뇌 역할을 하는 CPU와 GPU를 공급합니다. 최근 크레이와 로렌스 리버모어 국립 연구소는 엘 카피탄에 대해 몇 가지 새로운 정보를 공개했습니다. 엘 카피탄의 목표 성능은 당초 알려진 것보다 올라간 2엑사플롭스로 로렌스 리버모어 국립 연구소에 도입된 슈퍼컴퓨터인 시에라 대비 16배 더 빠릅니다. 제작은 HPE의 자회사가 된 크레이가 담당하고 AMD는 핵심 프로세서인 Zen 4 기반의 에픽 CPU와 라데온 인스팅트 (Radeon Instinct) GPU를 공급하게 됩니다. AMD가 공개한 내용에 의하면 Zen 4는 5nm 공정 기반으로 2022년말에 선보일 예정입니다. 현재 Zen 2는 7nm 공정에서 제조된 것으로 구체적인 코어 숫자는 공개하지 않았지만, 성능을 높이기 위해서 더 많은 숫자의 코어를 집적했을 것으로 예상됩니다. 코어 숫자 증가 없이 아키텍처 및 미세 공정 개선으로 성능을 높이는 데는 한계가 있기 때문입니다. AMD는 2세대 에픽 CPU를 내놓으면서 최대 코어 숫자를 32개에서 64개로 두 배 높였습니다. Zen 4에서는 128코어 CPU를 보게 될 가능성도 있습니다. 4세대 에픽 CPU는 결국 서버 시장에도 판매될 것이므로 인텔 역시 이에 대한 대응책을 마련할 것입니다. 4세대 에픽 프로세서는 4개의 라데온 인스팅트 GPU와 연결됩니다. 차세대 라데온 인스팅트에 대해서도 자세한 내용을 공개하지는 않았지만, 이 GPU는 올해 출시 예정인 RDNA 2 아키텍처 기반 GPU가 아니라 다음 세대 GPU로 예상됩니다. AMD는 차세대 GPU에서 고성능 연산용과 그래픽용 두 가지 버전을 준비하고 있으며 슈퍼컴퓨터에는 고성능 연산 유닛을 많이 사용한 버전을 탑재할 것으로 보입니다. 라데온 인스팅트가 뛰어난 성능을 보일 경우 연산용 GPU 시장의 강자인 엔비디아나 Xe라는 새로운 제품으로 시장에 진입하는 인텔 모두 긴장하게 될 것입니다. 그런데 여기서 중요한 대목은 슈퍼컴퓨터 사업을 수주한 게 AMD만이 아니라는 것입니다. 미국 정부는 인텔, AMD, IBM, 엔비디아 같은 회사에서 복수로 슈퍼컴퓨터를 주문했습니다. 슈퍼컴퓨터에 적용된 기술은 서버에서 일반 소비자용 컴퓨터까지 퍼져 나가게 될 것이고 결국 IT 산업 전체를 발전을 촉진합니다. 하지만 하나의 회사가 아니라 여러 회사가 경쟁해야 해당 산업이 건전하게 발전할 수 있습니다. 미국의 목표는 단순히 슈퍼컴퓨터 1등이 아니라 좀 더 장기적인 안목에서 산업 자체를 육성하는 것으로 보입니다. 슈퍼컴퓨터를 포함해 IT 산업 육성책을 수시로 내놓는 우리 정부도 눈여겨봐야 할 부분이 아닐까 생각합니다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

올해 2월 샌프란시스코에서 개최된 2020 IEEE 국제반도체 회로 학회(ISSCC·International Solid-State Circuits Conference)는 코로나19를 아슬아슬하게 피해 무사히 종료됐습니다. 이번 학회에도 수많은 기업과 연구소, 대학이 자신의 최신 연구 성과를 발표했는데, 이 가운데 무려 96개의 코어를 지닌 CPU를 공개한 연구팀이 있었습니다. 그 주인공은 인텔이나 IBM 같은 업계의 거인이 아니라 프랑스 원자력청(CEA) 산하 전자정보기술연구소(LETI)의 연구팀으로 이들은 16개의 코어를 지닌 작은 반도체 조각인 칩렛(Chiplet) 6개를 연결해 96코어 CPU를 개발했습니다.(사진) 프랑스 연구팀은 당장에 상용화 계획을 밝히지는 않았지만, 이들의 칩렛 디자인은 큰 주목을 받았습니다. 여러 개의 작은 반도체를 연결해 하나의 CPU를 만드는 것 자체는 사실 업계의 오래된 관행이라고 할 수 있습니다. 예를 들어 1997년에 나온 펜티엄 2의 경우 CPU보다 더 큰 L2 캐쉬 메모리를 탑재했습니다. 당시 제조 공정으로는 둘 다 한 번에 제조하기 어려웠기 때문입니다. 하지만 반도체 미세 공정 기술이 발전하면서 L2 캐쉬 메모리를 CPU 안에 탑재하는 것은 기본으로 자리 잡습니다. 펜티엄 3부터는 초기 제품만 제외하고 이후에는 L2 캐쉬가 CPU와 통합되었고 덕분에 CPU의 크기가 작아집니다. 이런 식으로 반도체 미세 공정이 발전하면서 CPU에는 점점 많은 것이 담기게 됩니다. 과거 칩셋에 있던 메모리 관리 기술이나 독립 칩으로 존재했던 내장 GPU도 통합됐습니다. 아예 시스템 전체가 하나의 칩으로 들어가는 시스템 온 칩(System on Chip, SoC) 역시 시대의 대세가 됐습니다. 덕분에 IT 기기의 소형화가 가능해지고 과거 컴퓨터보다 더 성능이 우수한 스마트폰이 등장했습니다. 이는 손톱만한 크기에 엄청난 숫자의 트랜지스터를 집적할 수 있는 반도체 제조 기술의 발전 덕분입니다. 하지만 공정 미세화는 엄청난 투자 비용을 요구합니다. 7nm 이하 미세 공정 파운드리(반도체 위탁생산)가 가능한 회사가 삼성전자와 TSMC뿐인 이유도 기술력은 물론 매년 100억 달러를 훌쩍 넘는 비용을 감당할 회사가 많지 않기 때문입니다. 당연히 미세 공정으로 갈수록 제조 비용이 껑충 뛰게 됩니다. 2017년 AMD의 CEO인 리사 수 박사는 250㎟ 다이 (die) 기준으로 7nm 공정의 제조 비용이 45nm 공정보다 4배 비쌀 것이라고 발표하기도 했습니다.이런 비용 증가가 다시 칩을 나누는 이유 중 하나입니다. 반도체는 웨이퍼라는 동그란 원판에서 제조한 후 사각형으로 떼어내 제품으로 만들기 때문에 작게 만들수록 못 쓰는 공간이 줄어듭니다. 더 중요한 사실은 못 쓰는 칩의 수를 줄일 수 있다는 것입니다. 트랜지스터를 많이 집적한 대형 칩일수록 심각한 오류가 생겨 못쓰게 될 가능성도 같이 커집니다. 반대로 말하면 칩의 크기가 작을수록 수율이 높아 제조 단가가 내려갑니다. 따라서 AMD는 7nm 공정부터 칩렛(Chiplet) 디자인을 적극 도입했습니다. 8개의 Zen 2 코어를 하나의 칩렛으로 만든 후 별도의 I/O 다이에 연결해 1-8개의 칩렛을 쓴 CPU를 내놓은 것입니다. 이 디자인의 또 다른 장점은 다양한 제품 생산에 매우 유리하다는 것입니다. 8코어 제품은 칩렛 1개만 쓰고 64코어 제품은 칩렛 8개를 사용하면 되니 하나의 칩렛과 몇 종류의 I/O 다이만 있으면 온갖 제품을 다 만들 수 있습니다. 당연히 재고 관리에도 유리하고 제조 단가도 낮출 수 있습니다. 현재 대부분의 제품을 하나의 칩으로 제조하는 인텔 역시 여러 개의 칩을 연결해 하나의 칩을 만드는 방식을 시도하고 있습니다. 인텔의 차이점은 2차원적으로 연결할 뿐 아니라 3차원적으로 칩을 쌓아 올리는 방식도 연구하고 있다는 점입니다. 그리고 CPU 이외에 다양한 칩을 서로 연결하는 기술도 개발 중입니다. 칩과 칩 사이의 고속 연결을 위한 EMIB (embedded multidie interconnect bridge)나 3D 적층 기술인 포베로스(FOVEROS)가 그것입니다. 칩렛 디자인의 문제는 여러 개로 쪼개진 칩 사이의 연결이 느려질 수 있다는 것입니다. 따라서 여러 개의 칩렛을 빠르게 연결될 수 있는 기술 개발이 관건입니다. 인텔은 이 부분에서 여러 가지 비전을 제시하고 있습니다. 따라서 1-2년 이내에 과거에는 상상하기 어려웠던 신제품을 들고나올 가능성이 있습니다. 반도체 산업은 지금까지 숱한 어려움을 극복하고 지금처럼 발전했습니다. 공정 미세화에 따른 급격한 비용 증가는 IT 산업의 발전을 가로막는 장애물이지만, 이전에도 그랬던 것처럼 수많은 연구자가 이 어려움을 극복할 수 있는 새로운 아이디어를 제시하고 있습니다. 결국 이런 노력을 바탕으로 지금보다 더 좋은 제품이 소비자 손에 들어올 것입니다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com