예상을 깨고 아이패드4가 갑자기 출시된 이유

● 반도체 기술의 사정이 보일 듯 말듯하는 Apple의 발표 

　누구도 예상못했던 애플의 때아닌 아이패드 세대 교체가 이루어졌다. Apple은 미국 10 월 23 일에 산호세에서 개최 한 프레스 컨퍼런스에서 7.9 인치 버전 "iPad mini"를 발표했을뿐 아니라, 기존의 9.7 인치 iPad도 쇄신했다. 제 4 세대 iPad는 모바일 SoC (System on a Chip)으로 "Apple A6X"을 탑재하고 등장한다. 이 봄에 출시한지 얼마 안된 제 3 세대 iPad(뉴패드)는 계속 판매되지 않고, 이미 단종이다. 제 3 세대 iPad는 애플 제품중에 거의 흑역사 취급이다.

　왜 이렇게 됐는지. 그것은, Apple의 SoC를 제조하는 파운드리 공정 기술의 혁신 계획에 끌려갔기 때문이다. 아마도 32nm에서 전체 라인업을 갖출 수있게 된 것이 이번 가을의 타이밍이었다. 그 때문에 신제품이 거기에 집중했다. 그리고 45nm에서 무리하게 출시한 3 세대 iPad는 때아닌 발열문제도 겪었고  32nm의 생산물량이 넉넉해지자 뉴패드는 바로 단종전력으로 되었다. 이러한 사정이 Apple의 이번 제품 발표의 뒤에있는 것으로 보인다.

　또한, 이번 제품 발표에서 명확하게 된 것은 9.7 인치 버전 iPad와 iPhone은 SoC가 다른 칩에 분화한다하는 전략이 확실해졌다. 그리고, 염가판 아이패드2 9.7 인치와 아이패드 미니 7.9 인치는 플래그쉽의 9.7 인치 버전 iPad와 iPhone보다 저렴한칩이되는 것이다. 핵심 SoC의 비용만을 보면, iPhone 5보다 iPad mini가 더 싸지만. iPad mini의 SoC는 같은 7인치 급의 "넥서스7"이나 "킨들 파이어HD '와 가격 경쟁에 끼어들수 있게됐다.

● 1년에 한번식 이뤄지던 아이패드의 쇄신주기가 무너진 이유 

　지금까지 Apple은 1년에 1번, 봄에 iPad를 업데이트, 여름부터 가을에 걸쳐 iPhone 업데이트 스케줄을 지켜왔다. 그러면서 핵심 SoC도 1 년마다 아키텍처를 쇄신했다. 그러나 이번에는 일정이 어긋난. iPhone과 iPad를 모두 가을에 경신했다. 그것도 iPhone 5를 발표 한 지 불과 1 개월 반과 거의 사이를 두지 않고 새로운 iPad를 선보였다.

　언뜻 보면,이 일정은 이상하게 보일지도 모르지만, 핵심 SoC를 체크하면 무엇이 일어 났는지 쉽게 알 수있다. 9월에 발표 한 아이폰5에 탑재되어있는 "Apple A6"는 Samsung의 32nm 프로세스. 그리고 이번 제 4 세대 iPad의 A6X는 A6의 파생 것으로 보이기 때문에, 파생 제품을 만들기 쉽다 같은 32nm 프로세스의 가능성이 높다. 또한 iPad mini의 A5도 현재 유통중인 iPad 2 A5가 이미 32nm 버전이기 때문에, 32nm 프로세스 보인다. 즉,이 가을에, Apple의 모바일 제품은 모두가 32nm 프로세스가 적용되었다고 추측된다.

　Apple은 초기 1세대 아이패드에 45n​​m 공정의 A4를 장착하고부터 올해 (2012 년) 봄까지 45nm 프로세스를 계속 적용해왔다. iPad 2/iPhone 4S의 A5도 45nm 공정으로, 그리고 올 봄 3 세대 iPad도 45nm의 A5X이었다. 3세대에 걸쳐 SoC에 45n​​m 프로세스를 계속 한 것은 제조를 위탁하는 Samsung의 32nm 프로세스의 이행 스케줄 때문이다.

　파운드리 업체들은 전체 45/40nm 프로세스에서 제자리 걸음을하고 다음 세대로의 전환이 늦어졌다. Samsung은 2011 년 가을에, Apple에 32nm를 제안하고 있다고 설명했다. Samsung은 28nm의 출시에 시간이 걸릴 것이고, 그때까지 기다릴 수없는 고객을 위해 32nm를 제공하고 있었다. Apple은 실제로 2012년 봄부터, 아이패드2를 리비전해서 A5를 32nm로 변경한 버전을 내놓고, 32nm로 전환을 시작하고있다.

　하지만 A5 확장 A5X은 설계시작과 샐산관계에서 32nm은 맞지않아, 45nm 로 출시것으로 보인다. 결과적으로, 32nm 공정의 SoC 전 라인업이 갖추어지는 이번 가을에 이례적으로 전제품에 적용시켜 출시한것이다.

　덧붙여서, Samsung의 로드맵에서는 32nm에 이어 1년 늦게 28nm을 출시하고있다. 따라서 앞으로도 Samsung에 위탁 계속한다면, 또 1년 정도뒤에 차세대 칩으로 이행하게 될 것이다. 무엇보다, Apple이 파운드리 TSMC 바꾸는 것을 검토하고 있다는 보도가 여러번 이었다.

　또, Apple는, Samsung과 같은 Common Platform의 GLOBALFOUNDRIES에 위탁하는 것도 가능하고, 조건에 따라서는 인텔에 위탁생산 할 수도 있다. 어떻게 될까는 모르지만, 향후는, 전체적인 경향으로서 45/40 nm프로세스로 제자리 걸음을 하고 있던 과거 2년부터, 프로세스의 이행이 진행될 가능성이 있다. 적어도 로드맵상에서는, 각 회사가 모두 빠르게 스피드업하고 있다.

삼성의 32나노HKMG 공정

● 32nm 프로세스에서 다이 크기는 다시 합리적인 값에 

　Apple은 32nm 화에 따라 CPU 코어 Cortex-A9에서 더 큰 크기의 자체 개발 새로운 CPU 코어로 대체. A6는 코어 당 성능이 올랐다 새로운 코어를 투입했다. 따라서 iPhone 5가, 3 세대 iPad보다 CPU 성능이 훨씬 높다는 불균형이 일시적으로 발생했지만 이번 제 4 세대 iPad는 새로운 CPU 코어 A6X를 탑재하기 위해 CPU 성능은 다시 같은 레벨이된다.

　반면 아이패드 미니는 이전 아이패드2 A5 아키텍처 채 그대로 두어진다. 따라서 32nm 프로세스로 라인업은 갖추어져 있지만, SoC의 CPU 코어 아키텍처에서는 상하 제품 계층 나뉜다. 16GB 스토리지 버전 비교하면 499 달러의 4 세대 iPad는 A6X, 염가판 iPad로 399 달러에서 병행 판매되는 iPad 2는 A5, 329 달러의 iPad mini도 A5 100 달러 차이로 SoC는 크게 다르다.

　이러한 Apple SoC의 세대 교체와 iPad의 가격 칩​​ 다이 사이즈 (반도체 본체의 면적)에서 보면 좀 더 명확하게 상황이 보인다. Apple의 A 시리즈 SoC는 초대 iPad / iPhone 4 A4가 다이 크기 53 평방 mm로 매우 작았다. 대부분 패드 한계에 가까운 크기였다 것이고, 당연히, 제조 비용도 낮았다.

　그러나, iPad 2/iPhone 4S의 A5되면 CPU 코어가 2 배, GPU 코어가 2 배 이상, 메모리 인터페이스가 2 배 폭이 때문에 다이 사이즈는 단번에 122 평방 mm 대에 두배로했다. 그리고 제 3 세대 iPad의 A5X는 GPU 코어와 메모리 인터페이스가 더욱 배가 된 것으로, 다이 사이즈는 163 평방 mm에 도달. Intel의 Ivy Bridge (아이비 브릿지)의 4 코어 버전과 거의 동렬의 크기로 부풀어.

　Apple은 자사 개발의 칩을 자사 제품에 통합하기 위해 칩 단체의 비용은 그다지 신경 쓰지 않아도된다. 그렇다고는해도, SoC의 값 비싼하면 제품 비용을 압박한다. Apple에 있어서도, 160 평방 mm 대의 A5X의 다이 크기는 부담이었을 것이다. 축소할 수 있다면 빨리 칩을 소형화하고 싶었다는 것이 본심 일 것이다.

　또한, 소비 전력면에서도 32nm 공정의 것이 유리하다. 미세화의 효과뿐만 아니라 Samsung 프로세스는 32nm에서 High-k/Metal Gate (HKMG)를 채용하여 누설 전류 (Leakage)를 억제하고있다. 또한 Samsung은 2 월의 ISSCC (IEEE International Solid-State Circuits Conference)에서 자사의 32nm 버전 모바일 SoC에 다양한 절전 기술을 담은 발표하고있다. 코어 단위의 파워게이팅과 트랜지스터의 영역에 걸리는 전압을 동적으로 제어함으로써 전위차를 변화시키는 "Body Bias (바디 바이어스)"등을 구현하고있다. 그러한 기술이 Apple의 32nm 버전 SoC에도 반영되어 있다면, 전력면에서는 더 유리하게되어있는 것이다.

　대형화 된 45nm 버전 A5X 대해 A5는 32nm로 이행하고, 다이 사이즈는 70 평방 mm 정도까지 축소했다. 그리고, 같은 32nm 프로세스의 A6는 CPU 코어를 대형화했기 때문에 크기는 대형화했지만, 그래도 100 평방 mm 이하로 억제 할 수 있었다. A6X도 32nm 프로세스라면, A5X 같은 크기가 아니라, 합리적인 크기에 맞는 것으로 추측된다.

　타사의 비교에서는, 32nm판의 A5는, Kindle Fire HD의 7 인치판에 탑재되고 있는 Texas Instruments의 「OMAP4460」클래스의 다이로, Nexus 7의 Tegra 3보다 작은 것을 알 수 있다. 까고말하면, 동일한 정도의 제조비용에서는 SoC로, iPad mini는 그 나름대로 단가상승을 억제한, 가격 경쟁력을 낼 수 있는 만들기가 되어 있다.

● iPad와 iPhone에서 칩의 분화가 명확하게 

　Apple의 A 시리즈 SoC는 이전 세대까지, iPad와 iPhone에서 기본적으로 동일한 칩을 사용했다. 초대 iPad와 iPhone 4는 A4, iPad 2 및 iPhone 4S는 A5에서 태블릿 클래스와 스마트 폰 클래스에서 칩 설계 자체에 차이는 없었다. 그러나 올해 (2012 년)에서 노선이 변경, 3 세대 iPad는 A5를 확장 한 A5X을 투입. 올 가을 발표에서도 iPhone 5는 A6에서 제 4 세대 iPad는 A6X하면 분명히 다이가 다르다고 볼 수 2 계통으로 확장했다.

　iPhone 전용과 iPad 전용의 "X"가 붙는 시리즈 눈에 띄는 차이점은 당분간 GPU 성능과 메모리 대역폭이다. CPU 성능은 거의 동렬이지만, GPU와 메모리에서 차이를 붙이고있다. 아래의 그림은 iPad의 A 시리즈의 진화 그림이다. iPad 전용이 분화하는 것은 A5X에서 A5와 비교하면, GPU 코어가 두 배로, 메모리 인터페이스가 2 배가되고있는 것을 알 수있다. A6하면 A6X의 차이도 거의 비슷한 것이라고 생각된다. A6의 GPU 코어는 3코어, 메모리 인터페이스는 x64 것으로 알려져있다. A6X는 GPU 코어는 4코어로 있으며 x128 상당의 LPDDR2 또는 x64 상당한 LPDDR3 인터페이스를 갖는다면, 메모리 대역은 A6의 배가된다.

　GPU와 메모리 대역폭이 향상되는 것은 물론, 고해상도 레티나화한 디스플레이를 지원하기 때문이다. iPhone은 3.5 인치 iPhone 4S에서 960 × 640, 4 인치 iPhone 5에서 1136 × 640의 해상도. 반면 Retina 화 제 3 세대 아이패드는 2048 × 1536으로, 그만큼 강력한 픽셀프로세싱 및 필요 메모리 대역도 요구된다. 따라서 iPad와 iPhone에서 SoC의 기능이 분화해 나갈 것으로 보인다.

　덧붙여서, iPad mini는 1024 × 768으로, 1세대 iPad 및 iPad 2와 다르지 않다. 픽셀연산에 필요한 능력면에서는 A5에 충분하다는 것이다. iPad mini가 더 높은 해상도 못했다는 Apple의 애플리케이션 호환성과 개발 쉬움을 중시한다는 주술 때문이다. Apple은 iPad / iPhone에서는 지금까지 화면 해상도를 바꿀 경우에는 배수 바꾸어왔다. 정수 배로한다면, 응용 프로그램 측의 대응은 매우 편해진다.

　Android 장치는 원래 표준 화면 해상도가없는 동일하고, 어플리케이션은 다양한 화면 해상도 변형에 대응해야한다. 반면 Apple은 iPhone 계와 iPad 계의 2 계통의 화면 해상도 밖에없고, 애플 리케이션 대응이 매우 용이하다. 그리고 Retina 해상도화하는 경우도 배수이기 때문에 원래 해상도를 바꾸지 않고 확장이 용이했다. 게임 같은 어플리케이션에서는 특히 이것은 중요하다. 하지만 그것 때문에, iPad mini는 1024 × 768을 선택해야만 했다.

　무엇보다, 게임 같은 어플은 1024 × 768은 당장 문제가없는 해상도이다. 그리고 휴대용 소형 태블릿 인 iPad mini는 휴대용 게임기에게는 잠재적으로 큰 위협이된다. 이 클래스는 크기와 휴대성면에서 일본의 휴대용 콘솔게임기와 정면으로 부딪쳐 버리기 때문이다.