애플 아이폰5의 핵심은 A6 CPU

●아이폰5 A6 CPU칩은 작아지고 성능은 향상되었다. 

　아이폰5가, 애플의 신모바일 SoC(System on a Chip) 「Apple A6」를 탑재하여 등장한다. A6는 iPhone 4S의 「A5」보다 제조 프로세스가 미세화해, 프로세스 기술이 진보(High-K/:HKMG) 해, CPU 코어 아키텍쳐가 일신 되어 평균 소비 전력이 줄어들뿐 아니라 퍼포먼스가 한층 향상할 것으로 예상된다.그 한편, 메모리 대역을 끌어올리는 것은 어렵다. 이것이 무엇을 의미하는 것인가.

먼저 미세화에 의해 칩 다이 사이즈는 다시 100 평방 mm를 자르는 선이 제조 비용은 억제된다. Apple의 A 시리즈 SoC는 A4에서 A5X까지 Samsung의 45nm 공정으로 오로지 다이를 비대화시켜 왔지만, 32nm 보이는 A6에서 다시 다이크기가 줄어져 돌아온다. 미세화에 의해 트랜지스터가 늘어난 것으로, CPU 마이크로 아키텍쳐의 혁신도 가능하게되었다. 이전 PA Semi의 CPU 아키텍처 팀이 만든 것으로 보인다 CPU는 특히 싱글 스레드 성능이 향상 될 것으로 보인다.

　따라서, 소프트웨어 적으로는 Web 응용 프로그램의 실행 성능이 크게 향상 될 것으로 예상된다. A6의 iPhone 5의 등장으로 모바일 SoC의 성능 경쟁은 더욱 격화 이번에는 CPU 코어 수 경쟁에서 단일 스레드 성능 경쟁 페이즈에 들어갈 것이다. 그러나 피크의 전력 밀도는 상승 할 것으로 예상되는만큼 향후 아키텍처의 연구가 필요할 것이다.

●아이폰4S A5의 2배의 CPU 성능 

　iPhone 5의 A6에 대해서, Apple가 공식으로 분명히 한 것은, A5(iPhone 4S)의 2배의 CPU 성능과 GPU 성능이면서,22% 칩이 작아지는 것. 

또, 확장한 ARMv7s 명령 세트를 서포트하는 일도 밝혀지고 있다. 한층 더 얇고 가벼운 iPhone 5의 스펙으로부터, 평균의 소비 전력은 절감 되었다고 보여진다. 프로세스 기술은 공표되어 있지 않지만, 현시점에서 Apple의 물량을 조달할 수 있는 것은 삼성의 32나노라고 추측된다.메모리도 공표는 되어 있지 않지만, LPDDR3나 Wide I/O는 양산에 늦는기 때문에, 필연적으로 LPDDR2인 채된다(LPDDR2의 전송속도는 800 Mtps에서 1066 Mtps에 향상하고 있다).

　Apple의 iPhone 4 S를 타고 있던 버젼의 A5는, Samsung의 45nm LP프로세스로 제조되고 있었다. Cortex-A9듀얼 CPU 코어에, SGX 543 MP2 듀얼 GPU 코어, LPDDR2 2 x32(64-bit) 인터페이스를 실었다.die size는 122평방 mm와 모바일 SoC(로서)는 상당히 큰 칩이었다.

　그에 대하고, iPhone 5의 A6는, CPU 코어는 같은 듀얼 구성이지만, CPU 코어 자체가 아키텍쳐적으로 일신 되었다.Apple는 긴  약 4년 자사에서 CPU 코어를 설계해 왔지만, 그것이 간신히 햇빛을 보았다고 예상된다. GPU 코어는 PowerVR 54x세대로, 이쪽도 A5로부터 증강되었을 것이다.메모리는 2 x32의 인터페이스 구성이라고 하면, 4G-bit DRAM 칩을 2개의 구성이라고 추측된다.

Apple은 칩의 제조를 위탁하는 파운드리로 기존의 Samsung 이외에 TSMC를 검토 한 것으로 알려졌다. 따라서 TSMC의 28nm 프로세스 일 가능성도 남아 있지만, 다이 크기 및 출하시기 등을 고려하면, 이번은 Samsung의 32nm 일 가능성이 매우높다.

● 애플의 3가지 CPU코어의 선택 

　Samsung 32nm 프로세스를 사용 CPU 성능을 2 배로하려는 경우, Apple은 3 개의 CPU 코어의 선택이 있었다. 

(1) 기존의 Cortex-A9를 쿼드 코어 구성하거나 

(2) 새로운 Cortex-A15 듀얼 코어 구성하거나 

(3) ARM 명령어 세트 호환 CPU 코어를 자체 개발하는 선택이다. 어떤 선택도 매우 뛰어난 성능 / 전력을 실현할 수있다.

　먼저 Samsung의 경우 32nm 프로세스 기술 자체가 상대적으로 낮은 전력으로 뛰어나다. 회사는 32nm에서 HKMG 기술을 채용하고있어,이 누설시 성능은 1.4 배, 동일한 성능이라면 누설 전류를 최대 10 분의 1로 낮추는 것이 가능하다한다. 또한, Samsung의 32nm의 Cortex-A9의 구현은 매우 강력하고, CPU 코어 단위의 파워 게이팅을 갖춘다. 또한 트랜지스터의 몸 영역에 걸리는 전압을 동적으로 제어하여 성능을 올리거나 누설 전류 (Leakage)를 억제하는 "Body Bias (바디 바이어스)"회로 설계 기술도 채용하고있다.

삼성의 HKMG 효과

Samsung은 자사의 모바일 SoC "Exynos5"을 위해, Cortex-A15 코어를 자사 프로세스에 올렸다. Exynos5도 칩은 완성중에 있기 때문에, Samsung 팹에서 Cortex-A15는 이미 준비하고있다. Cortex-A15도 Cortex-A9와 같은 절전 기능을 갖추는 것으로 예상된다. 따라서 Cortex-A15이지만 대기 전력은 상당히 절감 할 수 있다고 볼 수있다.

삼성의 엑시노스5 특징

Cortex-A15는, Cortex-A9의 2 명령 디코드에 대해서 3 명령 디코드로, 아웃 오브 오더 실행의 윈도우도 보다 넓기 때문에, 보다 많은 명령을 병렬에 실행할 수 있다.그 때문에, 싱글 코어의 성능은 Cortex-A9보다 높고, Cortex-A9의 성능 타겟이 2.5 DMIPS/MHz인데 대하고, Cortex-A15의 그것은 3.5 DMIPS/MHz와 1.4배가 되고 있다.또, 파이프라인도 깊어지고 있어 Cortex-A9보다 고주파수가 가능하다.그 때문에, Cortex-A15의 듀얼 코어를 사용해도 Cortex-A9듀얼의 약 2배의 성능이 가능해진다.

ARM Cortex-A15 특징

ARM Cortex 시리즈차이

● 전력과 고성능 칩 전문가 PA Semi 

　그러나 Apple이 취한 길 자체 설계 ARM 호환 CPU 코어는 듀얼 코어로 2 배 성능을 실현하는 길이었다고 볼 수있다. 

그 근거는 Apple 자체 개발 CPU가 슬슬 등장하는 페이즈 때문이다.

　Apple은 2008년 4월에 실리콘 밸리의 팔로 알토의 CPU 설계 벤처 PA Semi의 인수를 발표했다. PA Semi는 DEC의 "Alpha 21064"과 "StrongARM"개발자가 설립 한 회사로, 전력 절약으로 높은 성능의 CPU 디자인을 자랑했다. 이 회사는 2006 년에, Power 아키텍처 2GHz의 CPU 코어에서 코어 당 전력이 최악시에도 7W, 당시로서는 매우 성능 / 전력 효율이 높은 제품 "PA6T"을 발표 해 화제를 모았다.

　PA6T는 "PWRficient"고 PA Semi가 부르는 프로세서 제품군의 제 1 탄에 해당한다. PA6T는 세밀한 클럭 게이팅 및 코어마다 별도의 전압 레귤레이터에서 전력 공급, 전력 상태를 모니터링하는 전용 컨트롤러 등 다양한 절전 기술을 구사하여 저전력 화를 도모했다. 회사의 기술은 다양한 방면에서 주목을 끌었지만, 시장에서 성공하기 전에 Apple에 인수되었다.

　업계 관계자에 따르면 PA Semi의 아키텍트 팀은 인수 후에도 Apple에서 CPU의 개발을 계속해 왔다고한다. CPU 개발은 프롬 처음부터 시작한 경우에 제품으로 세상에 나오기까지 4년 정도의 시간이 필요하다. 그리고, PA Semi의 인수에서부터 올해 (2012 년)가 4 년째가된다. 즉, PA Semi의 CPU 코어가 등장해도 이상하지않은 시기다. 지금껏 애플의 CPU는 삼성의 엑시노스기반 설계였던 것이다.

　PA6T는 저전력하면서 4 내부 명령 (uOPs) 디스패치에서 5 실행 파이프와 2로드 / 스토어 파이프를 가진 강력한 핵심이었다. PA Semi가 A6의 CPU 코어를 개발했다고하면, 이번에도 매우 전력이 낮고, 게다가 고성능 코어 일 가능성이 높다. Cortex-A15와 마찬가지로 듀얼 코어에서도 Cortex-A9 듀얼 2 배의 성능 범위를 제공한다.

● 프로그래밍 모델을 바꾸는 CPU 코어의 진화 

　최근 ARM의 CPU 코어의 진화는 드디어 절대 성능에서 PC 프로세서의 저가형 영역에 도달하는 것을 보여주고있다. Cortex-A15와 동급 보인다 Apple의 A6의 코어와 Qualcomm의 Snapdragon S4의 Krait 코어 등이다. 그리고 스마트 폰 중 최대의 시장 점유율을 가진 아이폰5가 이 클래스의 성능 범위를 가지게함으로써 모바일 CPU의 성능은 단숨에 올랐다.

　특히 크게 두드러지는 것은 이러한 차세대 ARM 계열 CPU 코어가 단일 스레드 성능을 늘리려하고있다. A6 CPU 코어도 듀얼로 2​​배 성능이라면, Cortex-A15 등과 같은 노선이며, 싱글 스레드의 성능이 매우 높은 것으로 추측된다.

　싱글 스레드 성능은 지금까지 모바일 애플리케이션 프로세서의 약점이었다. 그리고, 싱글 스레드 성능의 부족은 Web 응용 프로그램을 모바일로 달리게 경우 족쇄가되고 있었다. 따라서 Web 어플리케이션을 적극적으로 넓혀왔다 Google조차 Android에서는 다른 프로그래밍 모델 (Dalvik과 NDK (Native Development Kit))를 핵심에 놓고해야했다.

　하지만, 싱글 스레드 성능의 향상에 의해, JavaScript 등을 다용 한 Web 어플리케이션도 모바일 장치에서 상대적으로 쾌적하게 달리게 할 수있게 될 것으로 예상된다. 이것은 프로그래밍 모델에 영향을주는 변화 다. PC 측에서 대폭왔다 스크립트 언어 플러스 Web 브라우저의 모델을 모바일 기기에도 확대 할 수있게되기 때문이다. 즉, PC에서도 모바일 기기에서도 동일한 프로그래밍 모델에서 어느 정도 유사한 성능을 기대할 수있게된다. iPhone 5와 A6의 등장은 이처럼 모바일 기기의 프로그래밍 모델의 변혁을 재촉 첫 번째 파도가 될지도 모른다.

● 2 계통으로 분류? Apple의 SoC 

　Apple이 A6에 자사 개발의 CPU 코어를 사용했다면, 그것은 Apple이 모바일 SoC의 IP를 자신이 원하는대로 설계하려고 생각하는 것으로 나타났습니다. 자신의 요구와 생각에 맞는 하드웨어를 칩 수준에서 개발하려는 야심이다. Apple은 사내에서 GPU 코어의 개발도하고있는 것으로 알려져있다. AMD에서 그래픽 부문 CTO인재를 끌어낼 등 활발한 인재를 모으고있다. Apple이 GPU 코어를 자체 개발하고 있다고하면, 그 목적은보다 범용 컴퓨팅에 사용하기 쉬운 핵심 개발 것이다. OpenCL 통해 GPU 컴퓨팅을 열심히 추진 한 것은 또한 Apple 이기 때문이다.

　또한 이번 움직임은 Apple의 SoC가 iPad 용과 iPhone 용으로 분화 해 나갈 가능성을 시사하고있다. Apple은 A5X에서 GPU 코어를 4코어, 메모리 인터페이스를 LPDDR2 4x32 (128-bit)했다. 넓은 화면을 포함 할 수있는 그래픽 성능과 메모리 대역폭을 필요로했기 때문이다. 아직 A6의 메모리 구성은 모르겠지만, DRAM 인터페이스는 전력 소모가 많기 때문에 인터페이스 폭은 A5X 더 좁혀 2x32 한 가능성이 높다. 아래는 iPad에서 A5X까지 변화를 나타낸 그림이다.

애플 A4 A5 A5X 아키텍쳐 변화

애플 A6 CPU

삼성 32나노 HKMG공정 듀얼코어 1.3Ghz

PowerVR SGX543MP3

만약, 3 세대 iPad의 A5X가 iPad 전용, A6 세대에서도 A6X 같은 iPad 용 확장 버전이 나온다면, 그것은 Apple이 SoC를 iPad와 iPhone 각각을 위한 2 계통으로 나눈 것을 의미한다 . 이것은 화면 해상도와 배터리 용량이 크게 다르기 때문에 합리적인 판단이다. 

전체적인 흐름에서 보면, 2048 × 1536의 iPad에 끌려 태블릿계의 해상도가 높아짐에 따라, iPad 및 태블릿용 SoC의 그래픽 성능은 올라 갈 것이다.

　덧붙여서 향후 태블릿 용 SoC는 메모리 인터페이스와 내부 GPU 코어를 강화 해 나가면, 내부 버스도 강화해야 할 것이다. GPU 코어와 메모리 인터페이스를 연결하는 버스가 메모리 대역에 걸 맞는 굵기가 없으면, GPU가 전체 성능을 발휘할 수 없게된다. 텍스처 페치와 픽셀 박아에서 메모리 대역폭을 필요로하기 때문에 그 당 처리 병목 현상이 발생할 수있다.

　화면에 대해 말하면, Apple은 이번에 기존의 3.5 인치 디스플레이가 아닌 4 인치로 보다 길쭉한 디스플레이 iPhone 5에 채용했다. 해상도는 1136 × 640으로 해상도 326ppi (Pixel per Inch)에서 16:9 화면비되었다. iPhone 4S까지 3.5 인치로 960 × 640이었다. 여기서 포인트는, Apple가 단일해상도는 전략은 보류 한 것. 따라서 기존의 어플리케이션도, 스케일하지 않아도 화면에 짧은 쪽은 피트시켜 볼 수 있습니다.

아이폰5 A6 CPU 성능