인텔은 14nm 브로드웰 CPU를 공개

14nm 반도체전쟁에 대비하는 인텔

새로운 공정기술의 제품출시는 업계 선두인 인텔조차도 살얼음을 밟는 것 같은 생각이라고 업계 관계자는 말한다. 1세대마다 새로운 프로세스의 기술적 장애물은 높아져 2년마다 마이그레이션 속도를 지키는 것은 매우 어려워지고있다. 특히 처음 FinFET 3D 트랜지스터 (Intel의 명칭은 TriGate)를 도입한 22nm 프로세스의 상승 기간은 인텔 내부에서도 꽤 안달복달 했다고 한다. 

▲인텔 32nm planar 형과 22nm 3D공정

▲인텔의 14nm 제품출시는 2014년이다.

　22nm 프로세스가 대성공이었다는것은 인텔의 인사를 봐도 알 수있다. 인텔이 새로운 CEO로 선택한 것은 인텔에서 제조를 담당해왔던 Brian Krzanich 씨였다. 제조 공정부서의 인물을 톱으로 자리 잡은 인사는 인텔의 제조능력이 FinFET 시대가 되어도 잘하고 있다는 증거이다. 또한 반대로 말하면 그만큼 반도체 제조가 어렵고 중요 해지고있는 것도 나타내고있다.

　그래서 인텔은 이번 개발 컨퍼런스 「Intel Developer Forum」(IDF)에서는 다음 14nm 프로세스가 잘 되어가는지 대외적으로 보여줄 필요가 있었다. 

FinFET 2세대 14nm 프로세스는 인텔에있어서 타사와 기술의 격차를 벌리는 궁극의 열쇠가 되고있다.

　파운드리 업체인 TSMC와 GLOBALFOUNDRIES는 현재 제품을 출하하고있는 첨단 공정은 평면 2D 트랜지스터의 28nm 공정이다. 

현재 준비중인 20nm가 있지만, 제품은 이제 막 시장에 나오려고하고있는 중이다. 그리고 파운드리의 20nm은 아직 FinFET 트랜지스터가 아니다.

파운드리 프로세스 FinFET 기간은 20nm제품이 출시되고 1년 후인 16/14nm 프로세스에서다. 16nm/14nm 프로세스는 백 엔드 20nm 세대와 공통화를 추진하고 트랜지스터를 FinFET로 전환 한 것이된다. 인텔은 프로세스 성능 튜닝에 특화하고있어 파운드리 프로세스와 비교하면 게이트 피치는 컸다. 따라서 파운드리 측은 20nm 백엔드를 사용해도, 16/14nm 프로세스로 Intel의 14nm 상응된다고하고있다. 즉, 지금은 인텔이 공정 기술에서 독주 상태이지만, 14nm 세대에서는 타사가 필사적으로 따라 잡으려하고있다. 그래서 14nm은 빠르게 시작하여 우위를 계속 유지하는 필요가 있다.

브로드웰-Y는 하스웰-Y보다 전력을 30% 절감

　

인텔은 이번 IDF에서 14nm 세대의 PC용 CPU "Broadwell"(브로드웰)의 라이브 데모를 실시했다. 14nm 프로세스의 시작이 순조워서 2014년에 출하 가능하다고 나타내는 의미가있다. 그리고 인텔은 14nm로 더욱더 성능/효율성을 개선 할 수있는 것도 보여 주었다.

　IDF는 먼저 CEO의 Brian Krzanich 씨가 Broadwell을 소개. 그것도 Broadwell 테스트 보드가 아닌 Broadwell이 탑재된 Ultrabook이 Windows 8을 실행하고있는 모습을 보였다. Broadwell이 완벽하게 작동하는 상태에서 시스템에 통합할 단계에 있다고 보여 주었다.

　Krzanich 씨는 태블릿 스타일까지 커버하는 저전력 Y 프로세서 제품군 Broadwell-Y에 더 작은 패키지를 도입하는 것을 발표했다. 

Broadwell-Y에 Haswell-Y와 핀과 호환되는 24 × 40mm 패키지로 제공 할뿐만 아니라, 공간 절약형 패키지 (16.5 × 30mm?)도 제공한다.

　실제로 현재 Haswell-Y 패키지와 Broadwell-Y 새로운 패키지가 나타났다. 이에 따르면 패키지 및 다이의 배치는 아래와 같이된다. CPU의 다이 아래에 배치되어있는 것은, I/O를 정리 한 PCH (Platform Controller Hub) 칩 다이이다. 2 칩을 정리 한 MCM (Multi-Chip Module) 형태로하여 Intel은 SoC (System on a Chip)라고 부르고있다.

▲Broadwell-Y 소비 전력 데모

4세대 하스웰보다 30% 절감된 소비전력을 보여준다.

듀얼코어, 클럭은 1.3Ghz ~ 1.4Ghz 수준.

　Skaugen 씨는이 데모는 아직 Broadwell-Y 성능 튜닝을 실시하기 전의 것이라고 설명했다. 향후 수개월에 걸쳐 튜닝을 행해, 한층 더 성능 / 전력을 향상시킬 것을 제안했다.

브로드웰의 전력 저감은 다이 축소에 비해 충분하지 않다.

이번 IDF에서 Broadwell-Y에서는 인텔이 강조한 팬리스 시스템을 일반화한다. 냉각에서 가장 문제가되는 것은 단위 면적당의 전력 소비 지표인 전력 밀도이다. 팬리스 시스템을 용이하게하기 위해서는 일반적으로 전력 밀도를 떨어 뜨려야한다. 그러나 아이러니하게도 프로세스를 미세화하여 작을수록 전력밀도는 높아진다.

　이론적으로는 트랜지스터가 1세대 미세화하면 게이트 자체가 소형화하는 용량은 약 70%로 감소한다. 그러나 게이트 면적은 약 50%로 감소하기 때문에 동일한 전압으로 구동하면 전력 밀도가 올라 버린다. 전압을 80%대로 낮추고되면 좋겠지만 지금은 그렇게 낮출 수 없다. 따라서 미세화와 함께 전력 밀도가 올라 동일한 다이 크기의 칩은 전력이 올라 버린다.

　사실 Skaugen씨가 데모를 선보인 Haswell-Y에 Broadwell-Y 전력이 70 % 절감된다는 숫자는 까놓고말하면 캐패시턴스 감소분에 불과하다. 만약 FinFET 화에서 캐패시턴스를 순조롭게 감소시킬 수있게했다면 70 %의 감소는 당연하다는 것이다. 옛날의 CMOS 스케일링의 법칙에서 보면 70 %는 놀라운 숫자가 전혀 없다.

　그리고 Haswell에서 Broadwell에서 같은 성능의 CPU의 다이 면적이 50%로 축소한다면, 70%의 전력 절감이 부족하다. 50%의 크기 축소에 대해 70 %의 전력 절감은 전력 밀도의 상승을 불러 일으 팬리스화는 반대로 어렵게되어 버린다.

실제 Broadwell의 다이는 어떤가. IDF에서 공개 된 Y 프로세서의 다이는 가로 6.2mm 전후, 세로 13.4mm 전후. 다이 사이즈는 계산상 83 평방 mm 정도가된다. 

이것을, Haswell 패밀리 다이스와 비교하면 아래와 같이된다. 오른쪽이 Broadwell-Y이다.

▲Haswell 패밀리 레이아웃

　

Broadwell-Y 다이를 Haswell-Y 2 +2 구성의 다이에 비해 다이 면적의 축소 비율은 64% 전후가된다. 이 축소율에 전력 저감의 70%라는 비율은 아직 부족하다. 전체 칩의 TDP는 낮출 수 있지만, 피크시의 전력 밀도는 올라 버린다. 향후 조정에서 더 인하해도 통통 것이 고작 일 것이다. 그렇게되면, 전력 밀도는 떨어지지 않기 때문에, 팬리스 화는 설계 지침 등에 의해 행해 나가게된다.

FinFET에서도 다크 실리콘의 속박에서 벗어날 수 없다.

　

Broadwell-Y 보이는 다이의 축소와 전력 저감 비율의 불균형에 의한 전력 밀도의 상승은 현재의 CPU가 공통적으로 안고있는 문제다. 전형적인 다크 실리콘 (전력이 감소 할 수 없기 때문에 다이에서 작동할 수 없는 지역이 늘어난다) 문제에서 FinFET 기술을 적용해도 이 문제에서 벗어날 수없는 상황이 보여왔다.

　다크 실리콘 문제를 해결하는 방법은 여러 있지만, 가장 쉬운 것은 CPU 다이에 CPU 코어 이외의 유닛을 더 싣는 것. CPU가 작동하고있을 때에,별로 전력을 소모하지 않는 장치를 늘리면 다이 전체의 전력 밀도는 떨어진다. 다이에 열이 집중되는 핫스팟은 할 수 있지만 어느 정도 분산 할 수있다.

　미세화 Broadwell에서 최고의 큰 다이는이 방향을 강화할 필요가있다. Intel CPU의 경우 캐시 SRAM과 GPU 코어 및 비디오 프로세서가 가장 증가하기 쉬운 부분이다. CPU 코어와 GPU 코어가 각각 상대의 부하가 낮을 때 동작한다면, 일정한 TDP (Thermal Design Power : 열 설계 소비 전력)과 일정한 전력 밀도의 범위 내에서 가동 있기 때문이다.

　이미 Intel CPU에도 GT3 구성의 GPU 코어를 탑재 한 칩은 CPU 코어의 크기보다 GPU & 비디오 코어의 크기가 더 커지고있다. Broadwell 다음세대인 14nm의 Sky Lake (스카이레이크)에서도 같은 경향이 계속 될 것이다.

14nm 프로세스의 실제 제품을 보여줄 수있는 인텔이지만만, 실은, 14nm 프로세스 자체에 대해서는 침묵하고있다. 이번 IDF에서는 지난해 (2012 년)의 IDF 때와 같은 프로세스 기술 세션이 아닌 14nm의 기술적인 내용에 대해서는 거의 언급하지 않았다. 기술학회에서의 발표도 실시하지 않았다.

　인텔은 FinFET이 적용된 22nm 부터 제조공정 정보를 발표하는것에 인색하게 변하고 있다. 그만큼 FinFET에 대한 기술적 리드를 지키는 것에 필사적이다. 

14nm 제조공정에서 경쟁하는 의미로 중대 국면으로 볼 수도 있다. 반격을 도모하는 파운드리 회사를이 14nm 기점으로 확실히  갈라 놓을 수 있다면, 인텔의 장점은 더욱 강화된다.