[고든 정의 TECH+] 1GHz에서 6GHz까지 23년 x86 프로세서의 발자취

[서울신문 나우뉴스]

출처=인텔

인텔은 최초로 6GHz의 벽을 돌파한 x86 CPU인 코어 i9 - 13900KS를 출시했습니다. 2000년 최초의 1GHz 프로세서가 등장한 지 23년 만의 기록입니다. 거의 사반세기의 시간 동안 x86 프로세서의 최고 클럭은 점점 높아졌지만, 사실 항상 한 방향으로만 흐른 게 아니라 여러 가지 우여곡절을 거치면서 지금에 도달했습니다.

90년대 중반부터 2000년대 초반까지 CPU 시장은 클럭 경쟁으로 뜨거웠습니다. 인텔은 AMD나 사이릭스 같은 x86 호환칩과 차별화를 위해 펜티엄이라는 새로운 브랜드를 내세워 승승장구했지만, 90년대 말 AMD가 만든 애슬론 프로세서의 강력한 도전에 직면했습니다.

지금 같으면 상상하기 어려운 일이지만, 애슬론 프로세서는 빠르게 속도를 높여 경쟁자인 펜티엄 III를 여유 있게 따돌리면서 2000년 최초의 1GHz 프로세서라는 타이틀을 차지합니다.

기존의 펜티엄 III 아키텍처로는 애슬론을 따라잡기 어렵다는 판단이 서자 인텔은 이전과 다른 새로운 방향의 CPU 아키텍처를 설계합니다. 과거에는 같은 클럭이라도 연산 능력을 더 높이는 방향이었다면, 펜티엄 4에 적용된 넷버스트 아키텍처는 오히려 같은 클럭에서 펜티엄 III보다 느리지만 대신 클럭을 대폭 높일 수 있게 설계한 것입니다.

당시 CPU는 지금처럼 여러 개의 코어를 탑재하지 않았기 때문에 코어 하나의 동작 클럭과 연산 능력에 큰 영향을 주는 L2 캐시 용량이 성능을 좌우했습니다. 소비자들 역시 높은 클럭을 선호한다는 점을 노린 마케팅 전략인 셈입니다.

초기 180nm 공정 윌라멧 펜티엄 4는 펜티엄 III 보다 느린 속도와 값비싼 램버스 메모리 때문에 외면 받았지만, 인텔은 재빨리 클럭을 높이고 더 저렴한 DDR 메모리를 받아들여 위기를 극복했습니다. 2001년 2GHz의 벽을 돌파한 펜티엄 4 프로세서는 2002년엔 3.06 GHz의 속도를 달성해 경쟁자인 AMD를 확실히 앞서게 됩니다.

130nm 공정 노스우드 펜티엄 4 3.06GHz는 최초로 3GHz를 돌파했다는 것 이외에도 한 개의 물리적 코어가 두 개의 논리 코어로 작동라는 하이퍼쓰레드 (HT) 기술을 탑재해 성능을 더 높였습니다. 지금은 일반적인 일이지만, 20년 전에는 상당한 기술적 혁신이었습니다.

하지만 펜티엄 4의 전성기는 여기까지였습니다. 2004년 등장한 프레스캇 기반의 펜티엄 4는 최신 90nm 공정 도입에도 불구하고 전력 소모와 발열량이 급격히 늘어나면서 4GHz의 벽을 넘기가 매우 어려웠습니다. 심지어 인텔 최초의 4GHz 모델이 될 수도 있었던 펜티엄 4 HT 580 모델은 출시가 취소되는 굴욕을 겪었습니다.

이후 CPU 제조사들은 무리하게 클럭을 높이기보다 같은 낮은 클럭이라도 실제 성능을 높이고 코어 숫자를 2개, 4개로 늘려 성능을 높이는 방향으로 전환합니다. 전력 소모와 발열을 생각하면 더 합리적인 방법이기 때문입니다. 따라서 4GHz CPU의 대중화는 2010년대 중반 이후에나 이뤄졌습니다.

한편 2010년대 초반 인텔에 밀려 열세였던 AMD는 이 상황을 뒤집기 위해 2011년 불도저 아키텍처 기반의 CPU를 출시했습니다. 그런데 이번에는 반대로 AMD 쪽이 높은 클럭과 낮은 성능으로 굴욕을 겪습니다.

2011년 출시된 FX-8150 프로세서는 4.2GHz의 클럭에도 낮은 성능을 보여줬고 2013년에는 FX – 9590로 상용 x86 프로세서 처음으로 5GHz의 벽을 돌파했지만, 성능은 4GHz 아래인 인텔 프로세서보다 못하면서 전력 소모는 더 많아 시장에서 외면받을 수밖에 없었습니다. 소비자들도 영리해졌고 이제 클럭만 보고 구매하던 시절은 지났다는 것을 보여준 사례였습니다.

물론 그렇다고는 해도 같은 아키텍처와 제조 공정이면 당연히 클럭이 높은 쪽이 성능이 높습니다. 따라서 제조사들은 조금씩 클럭을 높이기 위해 노력했습니다.

그러나 동시에 코어 숫자가 늘어나면서 모든 코어의 속도를 높이기는 점점 어려워지고 있습니다. 따라서 적은 수의 코어가 필요한 작업에서는 몇 개의 코어만 속도를 크게 높이고 많은 수의 코어가 필요한 작업에서는 모든 코어의 클럭을 적절히 조절합니다.

코어 i9 - 13900KS 역시 8개의 고성능 코어와 16개의 고효율 코어를 지니고 있는데, 24개 코어의 속도를 모두 6GHz로 하는 것은 아닙니다. 고성능 (P) 코어 중 2개만 6GHz의 속도로 작동하는 것이지만, 다중 코어가 필요하지 않은 작업에서 최고의 성능을 낼 수 있습니다.

다만 이를 위해 기본 TDP를 150W로 높이고 최대 TDP는 320W까지 높였다는 점은 문제입니다. 일종의 스페셜 에디션이라고 해도 전력 소모나 발열이 꽤 부담스러운 물건이 된 것입니다.

반대로 말해 6GHz CPU의 대중화는 일반 사용자가 감당할 수 있는 수준까지 전력 소모량과 발열량을 줄여야 가능합니다. 당장에는 무리지만, 4GHz는 이제 기본이고 5GHz도 서서히 대중화되어가는 모습을 보면 6GHz CPU의 대중화 역시 언젠가 올 것으로 기대합니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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