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컴퓨팅 성능 혁신 이어가는 새로운 Arm Cortex-A77 CPU

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글/스테판 로징어(Stefan Rosinger), Arm 제품 관리 디렉터
 
지난 해 선보인 Arm Cortex-A76 CPU으로 큰 성공을 거둔 Arm은 높은 기대 속에 3세대 DynamIQ ‘빅(Big)’ 코어 Arm Cortex-A77 CPU를 출시했다. Cortex-A77 CPU는 Cortex-A76 설계 템플릿을 기반으로 하는 고성능 고효율 CPU 제품군의 두번째 제품으로, 컴퓨팅 성능을 주도하는 Arm의 혁신을 계속 이어간다. 2018년 8월부터 시작된 Arm CPU 로드맵은 매년 전례 없이 높은 성능 향상률을 보여주었으며, Cortex-A77의 단일 스레드 성능은 Cortex-A76보다 20% 향상돼 차세대 기기의 성능을 크게 개선할 것으로 보인다. 

Cortex-A77은 차세대 스마트폰, 노트북 및 기타 모바일 기기를 염두에 두고 개발되었다. Cortex-A77은 올해 상용화된 5G, 증강현실(AR)의 성장, 다양한 고급 머신러닝(ML) 활용 사례 등의 새로운 기회를 활용해 기기의 사용자 경험을 근본적으로 향상시킬 수 있도록 한다.

동급 최고 효율과 강력한 성능 제공
Cortex-A77은 스마트폰의 전력 수준 내에서 최대 성능을 제공하도록 설계됐다. 이는 동급 최고 전력과 효율로 지속적인 작업 부하에서 일정한 성능을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. Cortex-A76과 비교해 Cortex-A77은 20% 이상의 정수 연산 및 35% 이상의 FP 성능 향상, 15% 이상의 메모리 대역폭 향상을 비롯한 다양한 성능의 개선을 선보였다. 이러한 지속적인 성능 혁신은 Cortex-A76를 잇는 2세대 7nm 설계에 의해 구현이 가능했다.

복잡한 활용 사례 지원

고성능 기능을 갖췄다는 것은 Cortex-A77이 ML 및 AR과 같은 첨단 활용 사례와 프리미엄 경험에 매우 적합하다는 의미다.  Cortex-A77의 높은 성능과DynamIQ 기술이 Arm의 프로젝트 트릴리엄(Project Trillium) 플랫폼을 통한 ML 성능을 가속화하고 장치의 컴퓨팅 능력을 향상시켜 엣지(Edge)에서 보안 ML을 제공할 수 있도록 한다. CPU는 엣지에서 클라우드까지 ML 경험을 위한 가장 일반적인 공통 분모이다. 실제로 전 범위의 Cortex-A CPU는 big/little 코어에서 지속적으로 ML 성능을 향상시켜왔다. 모바일 기기에서 ML 활용 사례는 점점 더 복잡해지고 있기 때문에 이와 같이 증가하는 컴퓨팅 요구를 지원할 수 있는 CPU를 갖추는 것이 필수적이다. 기기에 적용할 수 있는 이러한 활용 사례에는 AI 카메라, 시각적 장면 탐지, 3D 스캐닝, 생체 인식 사용자 ID(안면 인식), 음성 인식, 게임의 ML 및 AR의 ML 등이 포함되며, 이는 단지 일부일 뿐이다.

성능이 높을수록 AR에 의해 구현되는 새로운 앱과 가상 경험에 더 빠르게 반응할 수 있다. 여기에는 점점 더 AR 기술을 사용하여 사용자를 위한 전반적인 게이밍 경험을 향상시키는 모바일 게임 앱이 포함된다. Arm이 의뢰한 뉴주(Newzoo) 보고서에서는 모바일 게임에서 AR이 다음 몇 년 안에 크게 성장하는 분야가 될 것으로 전망하고 있다. 이에 따라 더욱 향상되는 AR의 증가하는 컴퓨팅 요구를 만족하기 위해서는 더 뛰어난 성능의 모바일 기기가 필요하다.

Cortex-A77은 2019년 5G 개통 후 시장에 출시될 다양한 5G지원 기기를 지원한다. 에릭슨의 모빌리티 보고서(2018년 11월)는 2024년에는 5G 기능을 탑재하는 스마트폰 기기가 약 15억대에 이를 것으로 전망했다. 기기에서 계산 집약적인 ML, AR 및 기타 새로운 활용 사례를 실행하기 위해서는 5G는 필수 요건이다. 5G는 더 빠른 속도, 초용량(5~20Gbps), 새로운 시청 경험, 8K 해상도 스트리밍, 360도 영상을 가져다 줄 것이다.

기능 유지와 개선

Cortex-A77은 다수의 성능과 효율 향상을 제공하면서, 또한 Cortex-A76의 여러 기능을 계속 지원한다. 2018년에 20시간 이상의 긴 배터리 수명은 Cortex-A76의 핵심 기능 중 하나였으며, Cortex-A77은 이 특징을 이어 나간다. 이는 Cortex-A77이 Cortex-A76과 마찬가지로 여러 날 지속되는 긴 배터리 수명을 가지면서 추가로 새로운 성능을 갖는다는 것을 의미한다. 사용자는 서너 시간마다 기기를 충전하지 않아도 되므로 ‘이동 중’ 생산성을 높일 수 있다. 또한 모바일 기기에서 배터리 수명을 잡아 먹는 고충실도 모바일 게임을 더 오래 즐길 수 있다는 긍정적인 전망도 있다.
또한 상시 접속(Always On), 상시 연결(Always Connected)되는 기기의 기능도 계속 제공된다. Cortex-A77은 LTE 기능을 통해 기기에 다양한 이동성을 지원한다. 기기의 연결성이 확대되면 사용자가 이용할 수 있는 기회가 늘어난다. 앞에서 언급했듯이5G의 출현은 사용자 경험을 더 빠르고 더 좋게 만들어 주는 것과 같은, 기기에서 앞으로 구현 가능한 것들의 실현을 가속화할 것이다. 뿐만 아니라 기기에서 공용 Wi-Fi 네트워크 대신 LTE 연결을 사용하면 보안과 개인정보 보호를 더 강화할 수 있다.

마이크로-아키텍처 향상

프론트엔드에서부터 코어, 백엔드에 이르기까지 설계에 전반에 걸친 마이크로-아키텍처 업그레이드를 통해 광범위한 워크로드에서 Cortex-A77 성능과 효율이 향상됐다. Cortex-A77은 Armv8.2 아키텍처, AArch32 및 AArch64 지원, 64KB L1 I/D 캐시, 256KB 및 512KB 개별 L2 캐시, 최대 4MB 공유 L3 캐시를 포함하여 이러한 향상을 가능하게 하는 여러 주요 기능들을 포함한다.

새로운 CPU의 목표는 프론트엔드 설계에 초점을 맞추고 CPU의 성능을 대폭 끌어올리는 데 있다. 두 배 늘어난 분기 예측(Branch-prediction) 대역폭, 분기 예측 정확도를 한차원 높여주는 다양한 개선사항 적용(많은 비용이 발생하는 잘못된 분기 예측의 수 감소), 그리고 33% 더 커진 L2 BTB 및 4배 더 커진 L1 BTB로 증가된 BTB(branch target buffer) 용량 등이 있다. 한편 Macroop(Mop) 캐시를 도입해 근본적인 성능 향상을 꾀했다. 이는 더 높은 페치 대역폭, 더 낮은 페치 지연, 그리고 명령어 순서를 수정하는 동적 코드 최적화로 다운스트림 코어와 백엔드에서 보다 최적으로 동작할 수 있게 한다.
또한 비순차적(out-of-order) 코어도 향상돼 마이크로-아키텍처 폭과 깊이도 확장됐다. 이는 디스패치(dispatch)를 통한 사이클당 최대 6명령어를 처리해 디스패치 대역폭을 50% 증가시키고, 비순차적 윈도우 크기를 25% 증가시켜 160개 명령어까지 처리함으로써 달성된다.
실행 코어는 정수 실행 대역폭을 50% 증가시켜 사용 가능한 대역폭을 증가시킨다. 정수 곱셈을 수행하는 데 소요되는 시간도 향상되었다. 뿐만 아니라 두번째 AES 암호화 파이프도 추가되었다.

마지막으로 메모리 서브시스템도 성능 향상을 목표로 했다. 실행 중인 로드와 스토어(Load and Store)을 위한 윈도우 증가가 최대 25% 늘어나 메모리 단에서의 병렬 실행이 증가하고, 로드 및 스토어 명령 실행처리를 위한 대역폭이 2배 늘어났다. 이 밖에도 데이터 프리페치(data prefetching)에 많은 새로운 향상된 기능이 도입돼 성능과 전력 효율을 높여준다. 데이터 프리페처(data prefetcher)는 이제 다양한 메모리 서브시스템 구성과 DynamIQ 클러스터 내 이용에 기초해 동작을 동적으로 변경할 수 있다.

모바일 성능을 재정의하다

Cortex-A77은 뛰어난 효율로 성능을 향상시키는 지속적인 혁신이 계속 이루어질 수 있다는 것을 보여준다. 이를 통해 OEM과 SiP는 모바일 기기에서 더욱 복잡하고 광범위한 워크로드를 처리할 수 있는 강력한 성능과 동급 최고 효율을 갖춰, 지능적인 기기를 위한 제품을 제공할 수 있게 된다. 확장된 배터리 수명을 통한 장시간의 모바일 게임이나 ‘이동 중(on-the-go)’ 생산성 향상, 새롭고 복잡한 AR 및 ML 워크로드 활용, 5G 상용화로 발생한 기회 포착 등 모든 부문에서 Cortex-A77은 모바일 기기의 사용자 경험을 크게 발전시키고 향상시키는 것을 목표로 한다. Arm은 프리미엄 Cortex-A CPU를 통해 지속적으로 컴퓨팅 성능 혁신을 주도하면서 모바일 기기의 성능을 재정의하기 위해 끊임없이 노력하고 있다.
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