애플 A6X CPU로 추측하는 2013년 아이패드5

● 모바일 기기의 진화의 족쇄는 공정 기술과 메모리 대역폭 

　

올 가을 이후에 등장한 스마트 폰과 태블릿에서 내년 (2013 년) 모바일 기기의 진화를 추정 할 수있다. 스마트 폰과 태블릿은 치열한 성능 경쟁을 계속하고 있으며, 빠르게 발전하고있다.

　그러나 진화의 족쇄도있다. 큰 걸림돌은 핵심 모바일 SoC (System on a Chip)를 제조하는 공정 기술과 SoC에 데이터를 전송하는 메모리 대역이다. 이 두 요소의 변화가 스마트 폰과 태블릿의 진화를 크게 좌우한다. 또한, CPU 코어와 GPU 코어 아키텍처의 변화도 진화의 열쇠가된다.

　올해 (2012 년) 가을의 스마트 폰 및 타블렛의 큰 변화는 애플의 라인업 일신에서 이것은 Apple의 모바일 SoC를 제조하는 삼성전자의 공정 기술이 45nm에서 32nm로 미세화 한 것으로 실현된 것으로 32nm 프로세스는 동일한 정도의 크기에 더 트랜지스터를 탑재 할 수있게되어, SoC의 진화가 완성되었다.

　아이패드용 SoC에서 보면, 4세대 아이패드는 A6X를 탑재하고 매우 강력하다. 코어의 구성은 CPU 코어가 2개, GPU 코어가 4개로 3세대 아이패드의 A5X와 다르지 않지만 핵심 내용이 크게 진화했다.

　A6X는 CPU 코어는 기존의 Cortex-A9 코어에서 애플이 인수한 CPU 설계 벤처 PA Semi의 개발로 자체설계로 보인다. 새로운 코어로 대체됐다. GPU 코어는 Imagination Technologies의 PowerVR SGX 543MP4에서 PowerVR SGX 554MP4로 세대가 바뀌었다. 따라서 CPU의 싱글스레드 성능이 크게 성장, GPU의 연산 성능이 두배가되었다.

PowerVR 로드맵

　이러한 강화에도 불구하고, 미세화에 의해 SoC의 다이 사이즈는 작아졌다. A6X 분석을 행한 Chipworks의 발표를 보면 A6X는 약 12​​3 평방 mm의 다이가되어, A5X의 160 평방 mm 대에 비해 3/4 크기로 축소하고있다. 이 다이 크기는 아이패드2의 A5와 거의 동급의 크기이며, SoC 크기가 1세대로 돌아온 것이다.

　Apple은 제 3세대 아이패드를 출시하고 나서 불과 반년 만에 황급히 4세대 아이패드를 투입 한 이유도 모바일로는 너무 커서(발열,제조단가) A5X가 적합하지않다고 생각했기때문이다. 또한 Apple이 태블릿용으로 적절하다고 생각하고있는 칩 크기가 지금것 출시된 아이패드제품으로 볼 때 120 평방 mm 전후 인 것도 짐작할 수있다.

● 균형이 무너지고있다 A6X 세대의 성능 vs 메모리대역폭 

　프로세스의 미세화로 연산 성능을 끌어 올린 Apple. 그러나, Apple의 SoC의 발전을 더 자세히 보면 A6X의 진화가 다소 더뎌짐을 알 수 있다. 

아이패드 진화를 비교하면 애플은 세대마다 칩의 연산 성능의 향상과 연동하여 메모리 대역폭을 늘려왔다.

　2010년 초기 아이패드는 A4로 싱글코어 Cortex-A8 단일 구성의 PowerVR SGX535을 채용했다. 메모리 인터페이스는 x64비트의 LPDDR1이었다. 

그것이 2011년의 아이패드2는 A5 듀얼코어 Cortex-A9 듀얼구성의 PowerVR 543MP2로 진화 되었다. 

CPU 코어자체의 퍼포먼스를 올릴 때 듀얼코어 구성으로 GPU 코어도 쉐이더 프로세서의 수를 늘리는 동시에 듀얼 구성했다. 

메모리는 x64비트의 LPDDR2로 전환하여 메모리 대역폭을 배가시켰다.

<애플CPU 발전>

　또한  3세대 아이패드에서는 A5X로 CPU 코어구성은 같으면서 GPU 코어를 쿼드구성으로 SGX 543MP4을 탑재하고 쉐이더 연산유닛을 더욱 배가시켰다. 

그리고, 메모리 인터페이스는 LPDDR2 그대로 x128비트 구성으로 대역폭을 배가시켰다. 이에 따라 디스플레이를 2048 × 1536의 4배 해상도로 끌어 올리는 것을 가능하게했다.

　그러나 4세대 아이패드는 어떻게 되었는가하면, A6X에서 CPU 코어의 성능을 끌어 올렸고 GPU 코어를 쿼드구성 SGX 554MP4함으로써 쉐이더 연산 유닛 개수를 더욱 배가시켰다. 그런데, 메모리 인터페이스는 기존의 128비트폭은 유지되고있다.

　4세대 아이패드가 탑재한 DRAM 패키지는 엘피다의 "B4064B3MA-1D-F"가되고있다. 엘피다의 파트 넘버 규칙에서 머리 "B"가 DDR2 모바일 RAM 다음 "40"이 패키지 용량 4G-bit 제품임을 알 수있다. 다음 "64"엘피다는 보통 DRAM의 구성을 보여주고 있으며, x64 패키지임을 짐작할 수있다. 2칩 적층 패키지에서 x32 표준 LPDDR2의 다이를 2 개 사용한 x64 패키지 보인다. 또한 "-1D '부분은 일반적으로 속도 등급을 나타내고있어, 3세대 아이패드에서는이 부분이"8D "에서 800Mtps의 메모리 전송 속도였다.

　따라서 4세대 아이패드는 1D에서 1066 Mtps 제품임을 알 수있다. 이 점은 A6을 탑재한 아이폰5도 마찬가지다. DRAM 벤더는 LPDDR2의 추가 규격 인 1066 Mtps에 따라 제품을 올해 상반기부터 양산하고 있으며, 애플의 주문량에 대응하고 있다.

● 내년은 메모리 대역폭이 프로세서를 따라 잡는다.

　이렇게 보면, 4세대 아이패드는 3세대보다 연산 성능이 2배 향상시켰음에도 불구하고, 메모리 대역은 33% 정도 밖에 오르지 않는 것을 알 수있다. 즉, 프로세스 미세화로, 칩 내부의 성능은 배가시키고도 칩 외부의 성능은 2 배가 되지 않는다. x128비트 현재 메모리 인터페이스 구성은 모바일 SoC에서 비용이나 소비 전력, 면적면에서 더 이상 인터페이스를 올리는 것은 어렵다.

　그러나, 모바일 DRAM은 현재 2년에서 2배의 속도로 메모리 대역폭을 인상하고있다. 따라서 약 2년에 2배의 칩의 트랜지스터 수의 증가에 맞는 속도로 메모리 대역은 확대 해 간다. 이미 삼성전자는은 LPDDR3의 양산을 시작하고, 삼성전자의 넥서스10에 사용되고 있다는 보도도있다. 그러나, 애플의 주문량을 채우기엔 부족했던것 같았다.

　덧붙여서, 배터리 용량에 여유가있는 태블릿은 일반 DDR3의 저전력 버전 인 DDR3L을 채용하는 사례도 나오고있다. 이 경우 대기 전력을 희생하게되지만, 성능과 비용면에서 유리하다. 그러나 Apple은 그 방법은 취하지 않았다.

<삼성전자는 LPDDR3 1600Mbps를 9월 말 양산발표를 했다>

　하지만, 내년 (2013 년)에 들어가면 LPDDR3는 빠르게 양산되어 물량이 풍부해진다. 따라서 2013 년의 스마트 폰과 태블릿은 하이엔드에서부터 LPDDR3로 대체 해 나갈 것이다. LPDDR3는 내년 단계에서는 1600 Mtps 전송 속도까지 제품화되고, 2014년에는 2133 Mtps까지 고속화 한 LPDDR3E가 등장한다. LPDDR3E의 규격화도 벌써 나왔다.

　따라서 올해의 주류였던 800 ~ 1066 Mtps의 LPDDR2와 비교하면 내년에는 메모리 대역은 1.5 배 ~ 2 배에 오른다. Apple이 x128 인터페이스를 계속 사용한다면, 메모리 대역폭은 25.6GB/sec에 도달 것이다. A5X의 12.8GB/sec과 비교하면 2배가된다. 데스크톱 PC의 DDR3-1600과 동일한 메모리 대역폭이다. 즉, 데스크탑PC를 따라 잡을 것이다.

　다른 업체도 새로운 메모리의 혜택을 같이 받아 메인 스트림 x64비트 인터페이스 12.8GB/sec가 일반적으로 될 것이다. LPDDR3는 배속화 터미네이터를 추가로 고속화하고 있기 때문에 트레이드 오프에서 전력은 상승하지만, 노트PC보다 고해상도 디스플레이에 맞는 대역폭을 간신히 얻을 수있게된다. 

큰 틀에서 보면 올해 2012년은 프로세스 미세화로 칩의 성능이 올랐고 2013년에는 새로운 메모리에서 메모리 대역폭이 오르는 해가된다.

● 2013년에 28nm 프로세스로 이행하는 삼성전자의 파운드리 

　TSMC에서 제조하는 퀄컴 및 엔비디아 등의 SoC는 올해 단계에서 40nm 공정에서 28nm 공정으로 전환을 시작했다. 28nm 공정의 생산 능력이 증가함에 따라 내년에는 28nm가 주류가되어가는 것이다. 반면 Apple은 현재 제조를 위탁하는 삼성전자의 32nm 공정에 기대고 있다.

　삼성전자은 현재 32nm 공정에서 28nm에 하프세대의 미세화도 로드맵에 통합하고있다. 실제로, 삼성전자는 2013년 2월의 반도체 컨퍼런스 ISSCC (IEEE International Solid-State Circuits Conference)에서 28nm 공정의 모바일 SoC를 발표할 예정이다. 따라서 애플이 32/28nm 프로세스 세대는 삼성전자를 계속 고수하면, A7 시리즈 SoC도 28nm로 이행할 가능성이 높다.

　삼성전자가 순조롭게 28nm를 시작할 수있는 경우, 애플의 칩 전환은 1년안에 32nm에서 28nm로 세대가 바뀌게된다. 언뜻 보면 알 수 있듯이, 2010년부터 2012년 상반기까지 45nm 공정으로 고정되어 있던 애플의CPU가 올해부터는 1년마다 프로세스가 세대교체하고 그에 따라 라고 Apple Ax CPU도 진화하게된다.

다른 모바일 SoC 업체는 올해 중반에 40nm에서 28nm로 전환을 시작했다. 반면 Apple은 같은시기에 45n​​m에서 32nm로 이행하고 내년 28nm로 이행 할 계획이다.

　그러나 이 스토리는 삼성전자 오스틴 프로세스가 시작이 잘 되어 28nm 및 이후 세대가 충분한 수율로 양산 할 수있게된다는 전제 말이다. 

현재는이 점이 매우 어렵고, 예측이 쉽지. 아래는 인텔과 TSMC, 글로벌파운드리 프로세스의 대략적인 로드맵, 삼성전자는 글로벌파운드리와 같은 IBM Common Platform에서 프로세스의 공동 개발을 진행하고있다.

　덧붙여서, 삼성전자의 로드맵은 또한 20nm 프로세스를 눈 앞에 두고있으며, 머지않아 3D트랜지스터 FinFET의 14nm 프로세스가있다. 그러나 애플은 28nm부터는 다른 파운드리에 넘어갈 가능성도 높다. 프로세스 기술과 물량공급만을 보면, 애플 가장 매력적인 것은 인텔의 파운드리공장이지만, 인텔은 타사의 파운드리 서비스를 거의 실시하지 않기 때문에 애플은 앞으로 노선으로 움직일지 불투명하다.