인텔의 새로운 아키텍처 Skylake에서는 Haswell의 핵심 요소 중 하나인 FIVR이 제거됐습니다. 다음 아키텍처인 Kabylake에서도 FIVR은 투입되지 않을 것으로 보이며, 그 이후 출시될 Icelake에서 FIVR이 재투입될 예정입니다.
하스웰에 투입되어 우수한 전력 효율성을 보였던 FIVR은 왜 제거된 것일까요?
인텔은 지난 달 열렸던 IDF에서 그 이유에 대해 "FIVR을 제거한 이유는 Skylake는 저전력 동작에 초점을 맞춘 제품이기 때문이다. FIVR 특성상 저전력에서의 동작은 적합하지 않다. 그것이 FIVR을 제거한 가장 큰 이유다."라고 밝혔습니다.
Skylake 아키텍처의 특징 중 하나는 TDP 범위(커버리지)가 상당히 확장되었다는 것입니다. Skylake-Y는 과거 Atom이 담당하던 TDP 4.5W 수준의 제품까지 커버하고 있습니다. 이러한 저전력 제품까지 설계 범위에 추가되면서, Skylake의 저전력 동작은 설계에 중요한 요소로 떠올랐습니다.
즉, 데스크톱 ~ 휴대형 기기까지의 넓은 전력 범위를 커버하는 설계가 필요해졌으며, 이를 위해 FIVR이 희생된 것이라고 할 수 있습니다. FIVR은 특성상 Skylake이 설계 컨셉에 어울리지 않았던 것이죠.
그렇다면 FIVR은 왜 저전력 동작에 적합하지 않은 것일까요? 그 이유는 저전력 상황에서의 효율이 좋지 않기 때문입니다.
FIVR을 저렴하게 구현하기 위해서는 다이 외부에 별도의 인덕터를 추가해야 합니다. 인텔의 경우 하스웰에서는 패키지 트레이스 인덕터를 도입했고, 이 인덕터는 인덕턴스 값이 매우 낮습니다. 이러한 작은 용량의 인덕터를 고효율로 사용하기 위해, 인텔은 높은 스위칭 주파수를 유지해야 했습니다. (하스웰의 경우 140MHz) 하지만 저전력 상황에서는 이것이 제대로 동작하지 않게 됩니다.
인텔의 FIVR은 최고 90% 이상의 높은 전압 레귤레이션 효율을 자랑하지만, 저전력 상황(약 2A 이하)에서는 효율이 빠르게 떨어지게 됩니다. 인텔은 다양한 효율 관련 기술을 도입하고 있지만, Skylake-Y 수준에서는 인텔이 감당할 수 있는 범위를 초과한 것으로 생각됩니다. 낮은 전류량에서 불필요한 전압 레귤레이션 손실이 크게 발생한다면, 저전력을 위한 설계와 근본적으로 모순이 되는 것이죠.
물론 전력 소모가 높은 제품에서만 FIVR을 사용하는 방법도 있지만, 그럴 경우엔 별도의 제품 설계가 뒤따르기 때문에 시간과 비용이 증가합니다. 따라서 인텔은 FIVR을 당분간 사용하지 않기로 결정한 것 같습니다.
'차후 FIVR은 언제 다시 도입할 것인가?'라는 질문에 대해 인텔의 CPU 아키텍트는 다음과 같이 답변했습니다.
"FIVR은 낮은 전류량에서 효율 문제뿐 아니라, TDP와 패키지의 문제도 있다. CPU에 열원이 추가되고 패키지가 복잡해지기 때문에, 다이가 작은 CPU와 저가형 CPU에는 적합하지 않다. 개인적으로는 FIVR이 서버용 CPU에 적합하다고 생각한다. 풀로드 구동 시간이 길기 떄문에 높은 효율을 유지할 수 있으며, 또한 서버용 제품에서는 고가의 패키지를 사용할 수 있다."
다이가 작은 칩은 전력 밀도가 높아지기 쉬우며, 열원이 증가하면 쿨링도 어려워집니다. 또한 인덕터를 패키지에 통합하게 되면 비용 역시 증가하게 됩니다. 따라서 다이가 작고 저렴한 제품에는 FIVR을 도입하는 것이 어렵습니다. 반대로 서버용 제품에서는 로드 상태에서의 동작 시간이 길고, 캐시가 많기 때문에 전력 밀도 문제도 적습니다.
사실, 인텔의 FIVR은 초기 서버용 제품에 사용할 목적으로 개발이 시작된 것이라고 합니다.
인텔의 FIVR은 현재 앞서 언급한 외부 인덕터를 사용하고 있고, 이는 패키지를 복잡하게 하며 생산 비용을 증가시키는 원인이 되고 있습니다. 또한 노이즈라는 문제도 발생합니다. 이를 해결하기 위한 가장 바람직한 것은 인덕터도 다이에 통합해버리는 것입니다.
인텔은 온-다이 통합 인덕터를 수년에 걸쳐 연구해왔습니다. 인텔에 따르면 이 방법은 표준 CMOS 백엔드 공정과 호환되며, 자성 재료를 CMOS 공정에 추가해 다이 최상층 구리 배선의 인덕턴스를 올리고 노이즈를 차폐하는 방법을 취하고 있다고 합니다.
이러한 기술이 도입되면 보다 완벽한 FIVR을 실현할 수 있게 됩니다. 인텔의 아키텍트는 "이는 매우 매력적이지만 비용상의 문제가 크다. 신재료의 도입은 비용이 크게 증가하며, 수율 면에서도 위험이 증가한다."고 밝혔습니다.
인텔이 온-다이 인덕터를 Icelake에서 도입할지는 알 수 없습니다. 하지만 인텔이 온-다이 인덕터의 적용을 위해 연구하고 있는 것은 확실합니다.
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