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2008. 8. 26. 13:48

Nehalem의 터보 모드

네할렘의 재밌는 기능인 '터보 모드'에 대한 내용입니다. 사실 펜린에 들어 있는 터보 모드는 모바일 제품에만 적용되었다고 하여 그리 관심이 없었는데 네할렘에선 데스크탑이나 서버용 CPU에도 적용된다고 하니 반가운 일입니다. 사실 쿼드코어나 그 이상의 멀티코어 CPU는 활용성에 있어서 문제점을 가지고 있었는데 터보 모드로 인해 조금이나마 더 활용할 수 있는 기회를 준다는 것이 일반 소비자들에게 좋은 점이라고 생각됩니다. 오버클러커들에겐 좀 귀찮은 존재가 될지도 모르겠지만요. ^^

그나 저나 터보 모드 하니깐 그 옛날 386, 486 쓰던 시절의 터보 버튼이 생각납니다. 그 땐 정말 터보 버튼 켜지면 성능이 부스트 업 되는 줄 알았었는데.. ㅎㅎ (실은 터보가 정상 모드이고 터보를 끄면 느리게 돈다는 것을 알고는 얼마나 속은 기분이었는지... ㅡ,.ㅡ;;;) 버튼 누를 때마다 7세그먼트에서 숫자값이 변하던 그 시절.. ㅎㅎ (그 것도 실제 성능을 보여주는 게 아니라 케이스에서 점퍼로 설정한 값을 보여주기만 했던... ㅋㅋ)





Nehalem의 성능을 높이는 최후의 수단「터보 모드」



●광범위하게 적용된 Nehalem의 Turbo Boost

 Intel은 ,금년(2008년)11월 중순에 투입한「Core i7(Nehalem:네할렘)」에 다단계의 「터보 모드」를 실장한다.CPU의 동작 주파수를 ,설계 명세서 이상으로 자동적으로 터보 업한“공식적인 클럭 업”모드이다.「Intel Turbo Boost Technology」라고 이름이 붙이진 것이 IDF에서 밝혀졌다.

 터보 모드의 기본적인 사고방식은 간단하다.PC의 냉각 기구는 ,CPU의 TDP(Thermal Design Power:열 설계 소비 전력)설계 명세서에 준해서 만들어지고 있다.TDP는 ,CPU가 메이커가 상정한 부하의 작업의 부담량으로 ,설계 명세서 주파수로 동작한 경우에 소비한 전력에 근거하고 있다.그 때문에, 멀티 코어 CPU로 ,CPU 코어의 일부가 슬립 상태가 되면, 실제의 전력소비는 TDP보다 낮아진다.

 그러면,터보 모드에서는 감소한 소비 전력의 여유를 ,액티브한 CPU 코어에 할당한다.구체적으로는,CPU의 구동 전압을 끄고,액티브한 CPU 코어의 동작 주파수를 높인다.액티브 CPU 코어의 전력소비는 많아지지만 ,슬립 CPU 코어의 전력소비가 낮기 때문에 TDP의 범위 안에 들어간다는 것이다.

 터보 모드는 ,45nm판 Core 2 Duo(Penryn:펜린)에 도입됐다.「Intel Dynamic Acceleration Technology(IDA)」라고 지어진 Penryn의 터보 모드는 ,모바일 CPU의 동작 주파수를 1 단계 높이는 것이였다.Intel은 ,Nehalem으로는 터보 모드에 의한 주파수 업을 3 단계까지 인상,데스크탑부터 서버까지 광범위하게 적용할 전망이다.

Dual Intel Dynamic Acceleration Technology
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Interl Core Microarchitecture (Nehalem) Energy Efficiency Feature
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 또,Penryn은 듀얼 코어의 한 쪽 코어가 슬립할 때만 나머지 한 쪽 CPU 코어의 동작 주파수를 높이고 있다.Nehalem으로는 4개의 코어가 다양한 슬립/액티브의 조합에 따르며 주파수를 높인다.이 밖에,CPU의 작업의 부담량이 가볍게 각 CPU 코어의 실제의 전력소비가 낮은 경우,TDP 리밋까지 주파수를 높인다.즉,Nehalem으로는 ,터보 모드에 의해 성능이 좋은 데스크탑과 서버가 더 다양한 환경에서 큰 성능 향상을 얻을 수 있다.

Turbo Mode:Key to Scalability Goal
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Turbo Mode Enabling
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) CPU Turbo Mode Overview
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●CPU성능을 높이는 요술 망치

 현재의 단계에서는 ,터보 모드는 CPU의 싱글 코어 성능을 약간 높이는 정도의 “덤”기능으로 밖에 보이지 않을지도 모른다.그러나,Intel은 터보 모드를 ,CPU의 성능을 크게 부스트하는 특별히 중요한 기능으로 생각하고 있다.

 터보 모드를 개발한 Intel 이스라엘의 개발 시설「Haifa Design Centre(하이파데자인센타)」에 따르면 ,Nehalem의 다음「Sandy Bridge(샌디브리지)」세대에는 더욱 광범위하게 터보 모드를 적용한 것을 계획하고 있다.Nehalem의 터보 모드는 그보다 먼저 나오게 된 것이다.

 Sandy Bridge 세대에 실장될 터보 모드의 천이 트리거는 ,상당히 광범위하다.(1)멀티 코어 CPU로 ,일부의 CPU 코어가 아이들이 된 경우를 이용한 Penryn 형의 방법,(2)환경 온도의 변화를 이용한 방법,(3)플랫폼 온도의 변화를 이용한 방법,(4)멀티 다이 CPU의 경우에 패키지 레벨에서 여러 다이의 전력소비의 차이를 이용한 방법이 있다.

Sandy Bridge에 실장된 전망의 터보 모드의 리스트

 Nehalem으로는 ,(1)의 코어 단위의 터보를 Penryn 것보다 확장하고 작업 부담량 베이스의 터보도 행한다.또,(4)의 패키지 터보도 멀티 다이의 Havendale(하벤데일)/Auburndale(오번데일)에서 이용한다고 추측된다.

 Intel의 Ron Friedman(론 프라이드맨)(Vice President, General Manager, Mobile Microprocessors Group)은「터보 모드는 ,환경 조건을 능숙하게 사용한 것으로 ,같은 소비 전력(TDP) 내에서 보다 높은 성능을 내기 위한,새로운 매커니즘이다.터보 모드의 본질은 ,낙관 주의적인 것이고,반드시 항상 이용할 수 있는 것은 아니다.그러나,사용자가 사용한 시간의 대부분에서 ,터보 모드의 이점이 얻어진다고 생각하고 있다.대부분의 케이스에서 20%를 초과한 성능 향상을 얻을 수 있을 것이라고 이야기했다.

 터보 모드가 좋은 포인트는 ,CPU의 트랜지스터를 거의 늘리는 일 없이 같은 TDP, 같은 냉각 기구로 ,성능 향상이 얻어지는 것에 있다.20%의 성능을 아키텍처 향상으로 얻으려고 한다면 ,방대한 트랜지스터를 투입하지 않으면 안될 것 같다.터보 모드는 ,CPU 아키텍처적으로는,거의 노 비용의 성능 항상이고,Intel은 이것을 폭넓게 활용해 간다는 생각이다.즉,터보 모드는 Nehalem의 단순한 덤이 아니라,CPU성능를 높이는 중요한 요소이고,Intel은 그것을 Nehalem 이후에도 발전시킨다는 생각이다.

●다단계에 주파수를 높이는 Nehalem의 터보

 Nehalem의 터보 모드에는 ,외관상 2개의 트리거가 있다.1개는 ,Penryn의 IDA와 같은 코어 수에 따른 제어.Nehalem의 전력 절약 설계를 담당한 Rajesh Kumar(Intel Fellow, Director, Circuit and Low Power Technologies, Intel)는 다음과 같이 설명하고 있다.

 「만약 4개의 CPU 코어가 있고, 그 중 1 또는 2개의 코어밖에 액티브하지 않다는 것을 감지하면,(아이들 코어의)파워 그리드를 오프하여,그 코어들의 전력을 제로로 만든다.그리고「PCU(Power Control Unit)」가 그 전력을 이용하여 액티브 CPU 코어의 전압을 높게 하고 주파수를 높여 결과적으로 성능을 향상시킨다. 2개의 액티브 코어만이 아니라 액티브한 코어가 3개에 아이들이 1개 등 어떤 조합이라도도 가능하다.

 예를 들면,아래의 슬라이드와 같이,가벼운 멀티스레딩 소프트웨어 환경에서 ,액티브한 CPU 코어가 2개뿐이고 다른 2 코어가 아이들 상태에 있는 경우 OS가 액티브 코어의 부하가 크다고 판단하면 액티브 코어의 프로세서 성능 스테이트(P-state)를 최상위의 「P0스테이트」로 설정한다.그런 다음 Nehalem의 PCU는 ,TDP나 CPU 케이스 온도(Tcase)나 전류량(Icc)을 체크,그 것들에 여유가 있는 경우에 터보 모드로 들어간다.

 터보 모드에 들어가면 ,액티브한 CPU 코어의 동작 주파수가 1 단계 올라간다.그러면,CPU는 다시 한번 TDP/Tcase/Icc등의 체크를 행하고,아직 여유가 더 있다면 동작 주파수를 1 단계 더 높인다.이 과정을 반복하여 TDP 등의 한계에 이르거나 CPU 설계 명세서에 정해진 터보 동작 주파수의 상한에 이르면 멈춘다.

Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[1]
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[2]
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[3]
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[4]
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How Turbo Mode Works (2C Mode)
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●4CPU 코어가 액티브한 경우도 터보가 가능하다

 Nehalem의 터보 모드는 ,액티브 코어가 아이들 상태일 때 몇 단계 거슬러 올라간다고 정해져 있는 것은 아니고 동적이게 제어되는 듯 하다.단 상한은 결정되어 있다고 한다.Nehalem의 터보 주파수의 상한은 ,SKU(Stock Keeping Unit=상품)에 따라 다르지만 ,최대 3 단계라고 한다.

 Penryn의 터보 모드와의 차이는 ,터보의 업 폭이 큰 것과 ,터보에 들어가는 경우가 많은 것이다.Intel은 다음과 같게 설명한다「CPU 코어 수가 증가하면 ,그만큼 터보로 들어가는 경우가 증가한다.4 코어로는 ,보다 많은 경우에 터보가 가능하다.또,Nehalem으로는 ,CPU 코어를 완전 OFF가 가능한 파워 게이팅 덕분에, 아이들 상태의 CPU 코어의 전력소비가 보다 작다.그 만큼,액티브한 CPU 코어를 높은 주파수의 터보 모드로 실행하게 된다」.

 Nehalem의 터보 모드 천이의 2번째의 케이스는 ,라이트 스레팅의 경우이다.CPU의 TDP는 ,어느 정도 부하가 큰 소프트웨어를 실행하게 된 케이스를 생각하여 설정되고 있다.그 때문에, 4 코어 전부가 액티브한 경우에도,CPU 코어의 부하가 가볍다면 ,CPU의 소비 전력이 낮아 TDP의 상한에 이르지 않을 가능성이 있다.그 경우,OS가 CPU의 파워 스테이트를 최상위의 P0스테이트에 두면 ,Nehalem은 TDP,Tcase,Icc등을 체크.여유가 있는 경우에는 ,동작 주파수를 1 단계 높인다고 한다.터보 주파수로 높이는 것이 특정한 코어 뿐일 케이스도 있을 수 있다.

Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[5]
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[6]
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Intel Core Microarchitecture (Nehalem) Turbo Mode[7]
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How Turbo Mode Works (4C Mode)
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 Penryn의 터보 모드 IDA는 실제로 SpeedStep의 최상위 오퍼레이팅 포인트 P0 스테이트로 구분된다.Nehalem에서도 최상위의 P0 스테이트에서 동작 주파수의 천이가 자동적으로 행해질 것 같다.터보 모드는 시스템 측에서는 트랜스페어런트로 ,소프트웨어 쪽에서 특별한 대응을 한 필요가 없다.제어는 ,Nehalem에 새롭게 실장된 프로그래머블 전원 제어 프로세서「PCU」가 행한다.

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Penryn의 IDA 터보 모드
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●Intel에 있어서는 어려운 측면도

 최종 이용자에 있어 터보 모드의 효용은 ,작업의 부담량에 따르고 성능이 최적화된 것이다.예를 들면,완전히 멀티스레드화 된 어플리케이션을 사용할 때는 ,4 코어가 최대 설계 명세서 주파수로 동작한다(TDP 틀에 여유가 있으면 더 높은 주파수로).한편,싱글스레드 중심의 어플리케이션의 경우는 ,액티브 코어의 주파수가 터보로 거슬러 올라가기 때문에 터보가 없는 CPU에 비해 상대적으로 싱글스레드 성능이 올라간다.

 Intel의 종래의 제품 구성에서는 ,쿼드코어와 같이 CPU 코어 수가 많은 상위의 제품은 ,가격대에 의해 동작 주파수가 억제되고 있다.같은 가격대라면,쿼드코어의 쪽이 듀얼 코어 것보다 주파수가 낮다.그 때문에, 멀티스레드 성능을 추구하지 않는 것이라면,CPU 코어 수가 적은 제품의 쪽이 ,같은 가격대에서는 성능이 높은 케이스가 일반적이다.

 그것에 대해,Nehalem에서는 쿼드코어라도 ,터보 모드 덕분에, 싱글스레드 어플리케이션 성능이 줄어들 걱정이 없다.멀티 코어의 부가 가치가 늘었다고 생각할 수 있다.

 단, 업계 관계자에 따르면 ,터보 모드는 Intel의 판매 전략에 있어 머리가 아픈 문제도 포함하고 있다고 한다.데스크탑 CPU의 경우,설계 명세서 주파수가 낮은 하위의 SKU(Stock Keeping Unit)가 ,터보 모드로 상위의 SKU의 주파수에 근접해 버리기 때문이라고 한다.싱글스레드만 주로 사용하는 경우는 ,상위의 SKU를 선택할 필연성이 희미해져 버린다.이와 관련하여,서버 CPU「Nehalem-EP」에서는 ,2.13GHz 이하 저렴한 가격대의 SKU는 터보 모드가 서포트되지 않는다.

 Nehalem의 터보 모드는 ,Penryn보다 훨씬 적용할 수 있는 찬스가 많고 성능 향상도 크다.또,서버에 이르기까지,넓은 제품 라인으로 서포트된다.터보 모드를 ,CPU의 성능 향상의 열쇠로서 활용한다고 말한 Intel의 구상은 ,Nehalem으로부터 본격화될 것 같다.

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