모바일 AP 둘러보기. (1) Scorpion

스마트폰, 태블릿에 쓰이는 AP(Application Processor)는 수십종이지만, 기반이 되는 아키텍처는 4가지 정도로 압축할 수 있습니다.

스냅드래곤의 Scoripon
ARM의 Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A5

앞으로 각 아키텍처들을 간단하게 살펴보도록 하겠습니다.

첫번째는 스냅드래곤의 Scorpion 입니다.

스냅드래곤은 원래 금어초를 말하는거지요.
수십개의 꽃이 금붕어가 입을 벌리는 것 같아서 붙은 이름이라던데, 별로 그렇게 안 보이네요. -_-;;
영국에서는 금붕어가 아닌 용같다고, 스냅드래곤이라고 이름 붙였답니다.(Snap Dragon)


(1) 기起 : Snapdragon 

아이폰이 역사상 최초로 장난감으로써의 스마트폰의 가능성을 직접 보여주고 있을 때,
퀄컴에서는 ARM v7 명령어 기반의 Scorpion 아키텍처를 개발하고, 그에 기반한 제품인 스냅드래곤을 발표합니다.
제조사에 제품이 공급되기 시작한 2008년 4분기 당시에 대다수의 AP는 ARM v6 명령어 기반의 ARM11 아키텍처 기반이였습니다.
1.2 Dmips/MHz, L2 캐시는 심지어 없는 경우가 많았던 ARM11 기반에 비해서,
2.1 Dmips/MHz, L2 캐시 256KB 의 스펙을 갖는 스콜피온 아키텍처는 시대를 앞서 간, 엄청나게 우수한 아키텍처임에 분명합니다.
ARM 아키텍처의 라이센스를 구입하여, 제조사마다 독자적인 커스텀이 이루어지는게 일반적이지만,
그 중에서도 스냅드래곤은 그 정도가 매우 강해서, 명령어만 같을뿐 같은 기반이라고 말하기 어려운 수준입니다. 저러한 고성능은 그러한 독자적인 설계의 결과입니다.


(2) 승承 : 선각자

최초로 등장한 스냅드래곤은 QSD8650 과 QSD8250 이였습니다.
클럭이 잘해야 800MHz 선에 불과했던 당시에 1GHz 라는 클럭은 상당한 고클럭이였습니다.
거기에 당시 아이폰 탑재 AP를 제외한 대부분의 AP가 제대로 된 GPU를 탑재하지 않은데 반해, 스냅드래곤은 Adreno200 이라는, 당시로는 상당한 수준의 GPU를 따로 탑재하였습니다.
(당시에도 아이폰 탑재 AP의 제조사가 삼성이였다는건 여러모로 시사하는 바가 많습니다.)

안드로이드가 널리 확산되기 이전, 윈도우 모바일이 iOS의 대항마가 되어보려 발악을 하던 시기가 있었습니다.
그 태생으로 인해 너무나도 무거웠던 윈도우 모바일 6 을 순수하게 성능의 힘으로 부드럽게 돌려냈던게 스냅드래곤이였습니다. (HTC HD2)
ARM11 기반의 AP가 탑재되었던 옴니아에서 윈도우 모바일이 어떤 퍼포먼스를 보였는지를 생각하면 스냅드래곤의 우월한 성능이 드러나는 부분입니다.

이런 고성능을 바탕으로 스냅드래곤은 당시 최상위 제품에 다수 탑재되는건 물론이고,
구글의 레퍼런스 폰에 탑재되기까지 합니다. (넥서스 원)


(3) 전轉 : 짧은 영광

하지만 시간이 지나면서 점차 단점을 드러내게 되는데, 결정적인 계기가 삼성의 허밍버드(현재는 엑시노스 3110 이라고 부르지요.)의 등장입니다.
Cortex-A8 기반인 허밍버드의 등장으로 스냅드래곤은 드디어 성능상에서의 우위를 빼았기게됩니다.

2.0 Dmips/MHz 의 명령어 처리 성능(정수연산 성능)은 스냅드래곤의 2.1 Dmips/MHz 에 밀리지 않는 수준이였습니다. 512KB L2 캐시는 덤.
부동소수점연산 성능은 동클럭에서 Cortex-A8 의 2.4배에 달하는 수준의 고성능이였지만,
안드로이드 2.1 이클리어에서는 둘이 거의 동급이였고,
결정적으로 연산의 대다수가 정수연산이였기때문에 부동소수점연산 성능의 우위가 장점이 되기는 어려웠습니다.

- 이클리어에서 프로요로 넘어오면서 안드로이드의 연산 패턴이 바뀌는데, 이 과정에서 Cortex-A8 은 부동소수점연산 성능이 2배정도로 향상된 반면, 스콜피온은 5배로 상승합니다.
이것이 스냅드래곤이 레퍼런스 폰에 탑재된 탓인지는 모르겠지만... -

결정적으로 GPU의 성능 차이가 너무나 극명했습니다.
당시 최고 수준인 SGX540 을 탑재한 허밍버드에게 스냅드래곤은 그래픽 성능에서 처참하게 밀리게 됩니다.
폴리곤 성능은 비슷했지만, 가장 중요한 픽셀 성능이 크게 떨어져서 종합적인 성능이 SGX540 의 40% 에 불과했습니다.

45nm라는 최신 공정을 사용한 덕에 낮아진 소비전력과 발열은 스냅드래곤의 소비전력과 발열을 단점으로 부각시키게 됩니다.
65nm 공정과 통신칩 통합으로 인한 발열과 소비전력은 어쩔수 없는 것이였지만, 제품의 가치는 상대적으로 평가받는 것이니 어쩔 수가 없었겠지요.

여기서 소위 말하는 '스냅드레기' (스냅드래곤 + 쓰레기) 의 전설이 탄생하게됩니다.
스콜피온 아키텍처 자체는 최신 제품과 경쟁하는데 부족함이 없었지만, 그 외의 부분에서 너무나도 밀렸기때문입니다.
문제는 CPU 외적인 부분때문에 생긴 이미지가 CPU까지 깎아내리는 지경에 이르렀다는겁니다.
덕분에 아직까지 스냅드래곤은 높은 소비전력과 발열, 낮은 성능으로 인식되는 경우가 많습니다.
특히 어설프게 알고있는 사람들에게 말이지요.

이를 해결하기 위해서,
45nm 공정을 적용, 클럭 향상 (1.3GHz), Adreno200 보다 성능이 두배 향상된 Adreno205 를 탑재한,
QSD8650A, QSD8250A 를 출시하지만, 거의 사용되지 않습니다.

이후 Cortex-A5 아키텍처로 생산되는 일부 제품(MSM7X27A, MSM7X25A)과 함께 이를 스냅드래곤 1세대로 분류합니다. (Cortex-A5 는 이후에 다룰 예정.)


45nm 공정이 본격적으로 적용된건 스냅드래곤 2세대부터 입니다.
아키텍처가 근본적으로 같았기때문에 L2 캐시는 여전히 256KB 였고, GPU는 여전히 Adreno205 였습니다.
차이라면, 싱글채널이던 메모리가 듀얼채널을 지원하게됩니다.
1GHz 였던 MSM8255, MSM8655 를 시작으로,
클럭을 1.4GHz, 1.5GHz 로 상승시켜서 성능향상을 꾀한 MSM8255T, MSM8655T 가 출시됩니다.
이 외에 800MHz 의 MSM7X30 도 스냅드래곤 2세대로 분류됩니다.
현재 싱글코어 제품에 가장 많이 사용되고 있는 것들이 스냅드래곤 2세대입니다.

GPU인 Adreno205 는 SGX540과 거의 같은 수준의 성능을 보여줍니다.
(물론 벤치마크상으로... 실제 게임성능은 격차가 여전한듯.)
테그라2 의 등장, SGX540 고클럭 버전의 등장으로 성능상 우위를 점하지는 못하지만, 최소한의 수준은 갖춘 것이지요.

CPU는 듀얼채널과 고클럭을 통한 고성능으로 부족함이 없습니다.
특히, 같은 스콜피온 기반임에도 불구하고, 동클럭 싱글스레드 성능이 듀얼코어 스냅드래곤에 비해 10%정도 높은 성능을 보입니다.
이는 듀얼채널로 인한 효과로 추측됩니다.
(듀얼코어 스냅드래곤 제품은 싱글채널입니다.) 


2세대와 거의 같은 시기에 3세대가 나타나게 되는데, 퀄컴이 본격적으로 스냅드래곤의 브랜드를 정립하기 시작합니다.
1세대, 2세대, 3세대를 각각 S1, S2, S3 로 분류한 것이지요.
세대라는 것이 단순한 출시 시기를 기준으로한 분류가 아닌겁니다.

스냅드래곤 3세대는 듀얼코어 제품들입니다.
MSM8260, MSM8660, APQ8060 의 3가지가 있는데, 클럭은 1,2GHz, 1.5GHz 가 있습니다.

듀얼코어가 되어서 L2 캐시도 두배인 512KB가 되었습니다.
메모리는 싱글채널로 오히려 감소되었는데, 듀얼코어와 GPU 강화로 인한 다이사이즈의 증가를 최대한 억제하기위해서가 아닌가 하는게 저의 추측입니다.

듀얼코어인 이상 Cortex-A9 와 경쟁하게되는데,
2.5 Dmips/MHz 로 성능이 향상된 Cortex-A9 에게 슬슬 성능에서 열세를 보이기 시작합니다.
정수연산 성능은 말할 것도 없고, 그동안 절대 우위를 보였던 부동소수점연산 성능도 비슷한 수준으로 따라잡힙니다.
삼성의 엑시노스의 경우, 동클럭에서 스냅드래곤에 비해 20%이상 높은 부동소수점연산 성능을 보이기까지 합니다.
스냅드래곤이 낮은 성능을 고클럭으로 메꾼다는 소리가 나오기 시작한겁니다.

GPU는 Adreno220 이 탑재되는데, Adreno205 의 두배의 성능을 갖습니다.
그야말로 비약적인 향상으로, SGX540 을 저 밑으로 바라보고, 위로는 SGX543MP4, 테그라3, Mali-400MP4 밖에 없는 수준입니다.
(이 역시나 벤치마크상으로... 실제 게임성능은 격차가 여전한듯.)


(4) 결結 : 현재진행형

빠르게 변하는 IT 계에서 ARM11 을 시작으로 Cortex-A8, Cortex-A9 까지 상대해 온 스콜피온 아키텍처는 엄청나게 장수한 아키텍처입니다.
그것이 가능했던건 성능적인 측면에서 시대를 앞서갔기 때문일겁니다.
지금도 성능 테스트 자료 정리하다보면, 3년 전에 이런 성능의 아키텍처가 나왔다는게 놀라울 때가 많습니다.

스냅드래기의 오명은 분명 오해가 있는 부분이지만, 좀 더 나은 제품과 늘 비교되는건 어쩔 수 없는 부분이겠지요.
그래도 3세대에서 이미지가 많이 나아졌으니까 그걸 위안삼는 것도 괜찮을듯.
지금에와서 최고는 아니지만, 아직까지 쓸만하다는건 분명합니다.

이제 스콜피온 아키텍처도 한계가 보이고 있고, 퀄컴은 다음 아키텍처를 준비하고 있습니다.
Krait 아키텍처와 이를 기반으로 한 스냅드래곤 S4 입니다.

새로운 아키텍처가 나온다해도 스콜피온 아키텍처는 앞으로도 꽤나 오래갈 것 같습니다.
Cortex-A5 기반의 저가형 제품이 여전히 넘쳐나는 상황에서, 스콜피온 아키텍처의 성능은 여전히 경쟁력이 있으니까요.


- 2012.02.29 GPU 관련 내용 정정.