침체된 28nm 공정때문에 탄생된 ARM Cortex-A12

제조공정 발전에 따른 경제적의미가 퇴색

▲Cortex-A12는 글로벌파운드리와 TSMC의 28nm 공정에 최적화하여 제공된다.

　ARM은 중간급 모바일 기기를 타겟으로 한 새로운 CPU 코어 "Cortex-A12」의 제공을 시작했다. Cortex-A12에서 흥미로운 점은 ARM이 새로운 코어를 28nm 프로세스에 초점을 낸 것이었다. ARM이 제공하는 파운드리의 프로세스에 최적화 한 'POP (Processor ​​Optimized Packages) "는 Cortex-A12는 28nm 공정만 볼 수있다.

　ARM은 선행하는 다른 Cortex-A 제품군은 이미 20nm 프로세스에서 POP를 제공 할 예정이나 20nm의 테이프 아웃을 발표하고있다. 그런데, 늦게 나온 Cortex-A12는 28nm 공정과 퇴행적인 프로세스 대응이되고있다. 드디어 20nm 칩이 나오자의 경우에, 28nm 전용의 설계를 제공하는 지연의 대응이다.

　이상하게 보이지만, 여기에는 분명한 이유가있다. 하이엔드 SoC (System on a Chip)에서 big.LITTLE에서 사용되는 Cortex-A15와 Cortex-A7 조합은 앞선 공정으로 전환하지만, 미드레인지 Cortex-A12는 28nm 공정에 머물 것으로보고있다 것이다. ARM의 James Bruce 씨 (Lead Mobile Strategist, ARM)는 그 배경을 다음과 같이 설명한다.

　"2007 ~ 2008년경 상황은 계속 단순했다. ARM 코어 로드맵은 매우 간단한 일련의 코어의 발전에 지나지 않았다. 하지만 지금은 다른 기능 포인트에 대해 서로 다른 프로세서를 제공하게 바뀌었다. A7에서 A12, A15 널리 배포하고있다. 이러한 확장을하는 주된 이유 중 하나는 공정 기술에있다.

　TSMC 등 파운드리와 미팅을하면 잘 알지만, 그들은 과거와는 상황이 다르다고 보고있다. 이전에는 파운드리 공정 기술도 간단하고, 모바일용 LP와 일반형 G 같은 간단한 솔루션만 제공했다. 그러나 현재는 용도에 따라 세분화된 공정 기술을 제공하고있다. 또한 FinFET같은 3D반도체기술 등 새로운 기술이 점점 등장했다.

　공정 기술이 복잡해지는 결과, 뭐가 일어나는가? (미세화에 의한 스케일링의) 실리콘의 비용 절감에 대해 제조비용이 증가해 버린다. 이것은 매우 간단한 경제의 계산 문제다. 반도체공장에서 웨이퍼작업시 훨씬 더 많은 제조과정을 거치게되면 그만큼 가공에 시간이 걸리게되어, 제조비용이 상승하게된다.

　따라서 당분간은 우리의 코어를 28nm 공정에서 20nm로 옮겨도 다이크기는 줄어들겠지만  제조비용의 절감효과는 그다지 기대할 수 없다. 

　이것은 어떤 변화를 가져올 것인가. 대답은 간단하고, 일부 제품은 (미세한 공정으로 전환하는 의미가 무색해져) 현재 프로세스에 머물려고 한다. 예를 들어, 엔트리 레벨 스마트폰은 현재 TSMC의 28HPM 프로세스가 매우 긴 기간 사용되게 될 것이다. 따라서 우리는 Cortex-A12 나 Cortex-A7이 장기적으로 28HPM 좋은 핵심이 될 것이라고 생각하고있다. 28nm공정은 앞으로도  아주 오랫동안 사용될 것이다.

　그러나 그것은 중급 이하의 스마트 폰에 대한 것이지, 하이엔드 스마트 폰에서는 다른 스토리다. 하이엔드와 미드 레인지의 근본적인 차이는 하이엔드에서는 비용을 그만큼 중시하지 않는 점이다. 대신 최고의 기술을 집합된것을 중요하다고 생각한다. 그래서 첨단공정으로 전환한다. 미들레인지에서는 더 많은 비용과의 균형을 위해 경제적인 프로세스에 머문다.

　왜 지금 이런 화제가 제기되고있는 것인가. 그것은 각 실리콘 파트너가 20nm 프로세스 설계의 테이프 아웃의시기에 접어 든 때문이다. 따라서보다 정확한 비용 견적 계산상황이 훤이 보였기 때문이다. "

　공정 기술의 미세화에 의한 비용 스케일링의 한계. 이것이 현재 반도체 업계의 큰 문제 다. ARM은 이러한 반도체 기술의 트렌드 속에서 28nm 공정에서 먼저 칩의 설계가 20nm 전환의 미세화로 진행 것과 미세화를 28nm에 머무를 것으로 2분화 될 것으로 있다. 그 예측에서 Cortex-A12를 28nm 프로세스에 초점을 제공하여왔다.

▲앞으로 중급시장은 더욱 확대될 전망이다.

▲3D 반도체기술(FinFET)을 적용했을때 전력소모와 클럭속도의 이점

▲TSMC 2014년 로드맵

하이엔드 및 미드 레인지 이하로 칩에 큰 차이가

　

프로세스가 미세화가면 웨이퍼 당 비용이 상승하고, 그것이 트랜지스터 당 비용을 밀어 결과, 프로세스의 미세화의 경제적 의미를 퇴색하게 할 것으로 예상 되어있다.

　더 정확하게 말하면, 미세화 프로세스의 트랜지스터 당 비용은 프로세스 기술이 성숙되면 곧 전 프로세스 세대의 트랜지스터 비용을 밑돌게된다. 그러나 그시기는 지금까지보다 훨씬 늦어. 표준 8분기마다 트랜지스터 비용이 크로스 오버하는 모델은 아니게 될 가능성이 나오고있다.

　또한 트랜지스터 비용의 크로스 오버 후에도 미세화로 얻을 수있는 비용 절감의 폭이 적어진다. 과거에는 트랜지스터 비용은 최대 약 50%로 떨어진이 점차 60%, 70 %의 비용으로 저감율이 떨어지고있다. 향후 그게 더 떨어지는 이전 세대와 거의 트랜지스터 비용이 변하지 않게된다고 볼 수있다.

　또한 문제는 FinFET이 적용되는 시점에서 파운드리들은 22nm 프로세스에서 FinFET을 앞당겨 도입한 인텔에 대항하기 위해 FinFET의 일정을 가속화했다. 

TSMC와 GLOBALFOUNDRIES는 모두 20nm 공정을 도입한시점에서 1년안으로 FinFET 프로세스를 도입한다. 이 FinFET 프로세스를 TSMC의 16nm, GLOBALFOUNDRIES는 14nm라고 부르고있다. 그러나 두 프로세스는 기본적으로 20nm 프로세스의 백엔드를 사용하기 때문에 트랜지스터 밀도가 거의 변하지 않는다. 따라서 트랜지스터 비용은 더욱 비싸질 전망이다.

　이러한 동향은 ARM의 전략뿐만 아니라 첨단 프로세스를 사용하는 반도체 칩 전체에 크게 영향을 준다. 현재 최신그래픽카드 GPU와 모바일 SoC (System on a Chip), CPU는 28nm 공정으로 제조하고있다. 하이엔드도 중급도 기본적으로 동일한 프로세스 세대에 타고 있으며, 이는 과거의 40nm 및 55nm에서도 비슷했다. 저가형 만은 프로세스의 미세화가 늦는 것이나, 수율이 오르지 않는 프로세스는 하이엔드 만 선행하는 경우도 있었지만 기본적으로는 같은 세대라면 동일한 프로세스에 맞춰 것이 일반적이었다.

　그러나 앞으로는 상황이 달라진다. 하이엔드 GPU와 모바일 SoC, CPU는 20nm 및 14/16nm 프로세스로 이행 해 간다. 하지만 미드 레인지에서 아래의 제품은 경제적 인 이유에서 28nm 공정으로 계속 머문 메이커가 나온다. 이것이 2014년 ~ 2015년 반도체 칩의 상황에서 지금 까지와는 프로세스 기술의 이행 상황이 바뀌어 버린다.

　그 결과 어떤 일이 발생 하는가? 영향은 일목요연하고, 중기장기적으로는 하이엔드 및 미드 레인지에서 아래 칩의 격차가 커진다. 하이엔드 칩 공정 미세화 및 FinFET를 통해 기능과 성능, 전력 효율이 향상된다. 그러나 중급 아래는 부분적인 확장은 행해지지만, 기본적으로 칩의 다이 사이즈 (반도체 본체의 면적)가 같으면 성능 범위는 거의 그대로이다.

　최종 제품으로 하이엔드 기능과 성능을 제공 시키는데 미드레인지 아래는 이유 될 것이다. 대신 아마 하이 엔드 및 미드 레인지 이하의 가격 차이도 벌어지지만 기능이나 성능면에서의 양극화가 진행된다.

28 nm에 머물어 Cortex-A15로 이행 하지 않는 시장으로 향한 제품

　

ARM은 이러한 시대에 2014년 이후의 메인 스트림 제품으로 무엇을 필요로 하는가를 생각했다. 종래와 같이 프로세스의 미세화가 모든 라인업에서 진행 간다면 Cortex-A9 시장은 점차 Cortex-A15로 옮겨 갈 것이다.

　Cortex-A15 CPU 코어의 크기는 거칠게 말해서 동일한 프로세스의 Cortex-A9의 2배 이상. 그러나 Cortex-A15가 미세화하면, 코어 크기는 이전 세대의 Cortex-A9보다 조금 큰 정도된다. 예전처럼 트랜지스터 비용이 내리는 경우 Cortex-A9에서 Cortex-A15로 미세화로 옮겨 갈 수있다.

그러나 트랜지스터 비용이 미세화로 지금까지의 페이스로 비용이 내리지 않게되면 더 트랜지스터를 먹는 Cortex-A15의 이행에는 시간이 걸리게된다. 현재 Cortex-A9을 사용하는 28nm 제품이 앞으로도 28nm 공정에 계속 머문다면, 코어의 크기가 큰 Cortex-A15의 전환은 일어날 수 없다. ARM은이 상황에 맞는 제품을 제공해야한다.

　그래서 ARM이 내놓은 대답이 Cortex-A15과 동일한 명령어 세트와 동일한 기능을 제공하면서 Cortex-A9보다 반도체 면적이 거의 증가하지 않는 CPU 코어 Cortex-A12의 제공이었다. 게다가 Cortex-A9보다 성능이 최대 40% 향상시켜 28nm 공정에서 1.x 평방 mm 대 핵심 영역으로 억제한다.

　"Cortex-A12의 die size (반도체 본체의 면적)은 Cortex-A9에 가깝다. 기능이 증가만큼 약간 커지지만, 크기의 증가는 매우 작게 억제된다"고 ARM의 Bruce 씨는 말한다.

　ARM은 향후 스마트 폰 시장의 성장은 미드레인지 및 엔트리 레벨이라고보고있다. 그리고 그 레인지은 ARM 프로세스의 미세화가 진행되지 않는 것으로 간주하는 시장이다. 따라서 거기에 28nm에 최적화된 새로운 아키텍쳐인 CPU 코어가 필요했다는 것이다.

그게 바로 ARM Cortex-A12 이다.