엑시노스5 옥타, 5250 소비전력 추정 및 비교.

지난 포스팅에서 엑시노스5 옥타의 소비전력을 예상해봤습니다.
(ISSCC 2013 삼성 세션 정보 (엑시노스5 옥타))
Cortex-A15 1.8GHz 쿼드코어 4.5W
Cortex-A7 1.2GHz 쿼드코어 0.56W

이 수치가 다른 AP들과 비교해서 어느 정도 수준인지 확인해보겠습니다.

AP에서 순수하게 CPU 소비전력만 측정한 (거의) 유일한 자료를 바탕으로 하겠습니다.
(http://www.anandtech.com/show/6536/arm-vs-x86-the-real-showdown)
아난드텍의 테스트는 GPU와 전체 플랫폼 전력도 다루고있지만 여기서는 아키텍처에 따른 소비전력을
비교하는게 목적이기때문에 CPU의 소비전력만 보도록 하겠습니다.

테스트는 5가지입니다.
SunSpider, Kraken, PIABench, WebXPRT, 3D Game
소비전력 측정 결과는 4가지입니다.
최대전력, 최소전력, 평균전력, 전체 에너지 사용량.

일단 정리해보면 이렇습니다.
스냅드래곤S4의 Kraken 테스트 결과가 없어서 같은 AP를 쓰는 Samsung ATIV Tab의 Kraken 테스트 결과를
가져왔습니다.
같은 Z2760을 쓴 Acer W510과 Samsung ATIV smart PC의 Kraken 테스트 결과가 오차범위 안에서
비슷하기때문에 괜찮다고 봅니다.
하지만 우선 위 테스트 결과가 자료로서 의미가 있는지 확인할 필요가 있습니다.

- SunSpider
테스트 결과에서도 나타났듯이 엑시노스 5250 의 결과가 가장 안 좋습니다.
이론적인 성능 차이를 생각했을 때 납득하기 어려운 결과이지요.
아난드텍에서도 크롬의 최적화 문제를 지목하고 있습니다.
그렇다면 이 테스트에서 쓸 수 있는 전력 자료는 최대전력, 최소전력뿐입니다.
테스트 결과를 통해 전력대성능비를 계산하는건 의미가 없습니다.

- Kraken
이론 성능에 잘 부합하는 테스트 결과를 보이고, 전력 측정 결과도 테스트 중에서 최대값을 보이고 있습니다.
CPU 성능을 최대로 쓰는 테스트라는거지요.
전체 테스트 중에서 가장 의미있는 자료입니다.

- RIABench
테스트 결과는 괜찮은데 엑시노스 5250의 테스트 결과가 없습니다.
그 때문에 전력대성능비를 비교할 수 없고, 쓸만한건 최대전력뿐인데 최대전력이 Kraken보다 작습니다.
Kraken에 밀려서 쓰기 힘듭니다.

- WebXPRT

이것 역시 최대 성능(최대전력)을 뽑아내지 못 하지만 테스트 결과가 제대로 갖춰져있기때문에
Kraken 다음으로 의미있는 자료입니다.
전력대성능비 자료로 쓸 수 있습니다.

- 3D Game
계륵입니다.
실사용에 가장 가까운 테스트인데 벤치마크가 아니기때문인지 테스트 결과가 없습니다.
게다가 3D 게임이라는 특성상 GPU라는 변수가 있기때문에 이것으로 전력대성능비를 비교하는건
무리입니다.
최대전력 비교의 참고 정도로 사용하는게 최선인듯.


종합하면,
최대전력은 Kraken 으로 비교,
전력대성능비는 Kraken, WebXPRT 으로 비교하는게 적합합니다.
다시 테스트 결과표를 보겠습니다.

전력대성능비는 전체 에너지 사용량을 기준으로 해야겠지요.
스냅드래곤S4를 기준으로 테스트 결과 비율과 에너지 사용량 비율을 구하고 그걸 나눠서 전력대성능비를
비교하겠습니다.

몇 가지 내용이 나오지요.

1. 엑시노스 5250 최대전력은 3W
2. 스냅드래곤S4 듀얼코어 최대전력은 0.75W
3. 엑시노스 5250 의 전력대성능비가 기복이 크다.
스냅드래곤 대비 최대 3배까지 나오는 것으로 보아 낮은 결과를 감안하더라도
'최소한' Cortex-A15의 전력대성능비는 Krait 이상이라고 볼 수 있습니다.
4. 아톰의 전력대성능비는 기복이 적고 준수한 편.
5. 테그라3는 전력대성능비는 좀 심각하다.

그런데 이런 자료도 있습니다.

(http://www.anandtech.com/show/5559/qualcomm-snapdragon-s4-krait-performance-preview-msm8960-adreno-225-benchmarks/4)
MSM8960(Krait 1.5GHz 듀얼코어) MDP의 소비전력 모니터링 결과인데,
코어당 소비전력이 최대 750mW 입니다.
위의 자료와 맞지 않습니다.
이건 제품도 퀄컴에서 제공하는거고, 소비전력도 알려준 측정방식대로 측정된 겁니다.
신뢰도에서 크게 밀리지 않는다는거지요.

위의 자료대로면 스냅드래곤S4 프로(쿼드코어)는 소비전력이 최대 1.5W 입니다만,
이 자료대로면 최대 3W 입니다.

이 내용을 바탕으로 엑시노스5 옥타와 스냅드래곤S4 쿼드코어의 소비전력을 비교해볼까요.
(말도 많고 탈도 많은 그 논란)

전 포스팅에서 나왔던 사용패턴을 적용해보도록 하겠습니다.
(ARM big.LITTLE Processing의 목적과 유용성에 대하여.)

- 엑시노스5 옥타

빅코어 최대전력 4.5W (추정)
리틀코어 최대전력 0.56W (추정)

실제 모든 상황에서 각 코어가 풀로드로 동작하는건 아니지만 핸디캡을 주겠습니다.
동작할 때는 무조건 풀로드(최대전력소모) 상태라고 가정하지요.
위에서 가정한 사용패턴에 따르면 빅코어 사용비율이 12%, 리틀코어 사용비율이 88%
4.5W x 12% + 0.65W x 88% = 1.112W

이런 계산방식이 최근 인텔이 주장하는 SDP입니다. (Scenario Design Power)
최대전력과 같은 의미로 여겨지는 TDP대신 SDP를 스펙으로 표시하는건 문제가 될 소지가 많습니다만,
실사용에서의 소비전력을 추정하는데는 적합하지요.
어쨌든 엑시노스5 옥타의 실사용에서 동작시 평균 소비전력은 1.1W가 됩니다.

CPU 미동작 시간(Deep Sleep)까지 포함해서 전체 평균 소비전력을 계산해보면,
(Deep Sleep 상태에서의 CPU 소비전력은 0W로 가정.)
(1.03W x 225분 + 0W x 1186분)/(225분 + 1186분) = 0.177W

정리해보면,
동작시 평균 소비전력 1.112W
전체 평균 소비전력 0.177W


- 스냅드래곤S4 프로 (쿼드코어)
스냅드래곤은 빅리틀이 아니기때문에 위의 동작 클럭 분포를 바탕으로 계산하겠습니다.
실제 스냅드래곤의 클럭 변화는 저 리스트와 다르기때문에 약간 변형해서 적용하도록 하지요.

200MHz -> 384MHz (최저클럭)
500MHz ->486MHz
800MHz ->810MHz
1000MHz ->1000MHz
1200MHz ->1500MHz (최대클럭)

각 클럭별 소비전력은 듀얼코어 1.5GHz에서 0.75W와 1.5W 라는 값을 기초로 소비전력이 클럭에 비례한다고
가정하겠습니다.
실제로는 전압도 같이 변하기때문에 낮은 클럭에서 소비전력이 더 내려가겠지만,
엑시노스5 옥타에서 적용한 핸디캡을 생각하면 그 정도 차이는 비교하는데 문제가 되지 않을겁니다.
(486MHz 대신 594MHz를 적용할 수도 있었습니다. 클럭 변화가 반영되어있기때문에 엑시노스보다 핸디캡이 덜한 편)

우선 듀얼코어 1.5GHz에서 0.75W인 경우를 계산해보겠습니다.
쿼드코어 1.5GHz는 단순히 듀얼코어 1.5GHz의 두 배로 계산해서 1.5W로 가정하지요.
각 클럭별 소비전력을 계산해보면 다음과 같습니다.
384MHz - 0.384W
486MHz - 0.486W
810MHz - 0.81W
1000MHz - 1.0W
각 %를 곱해서 더해보면 0.49832W = 0.5W 가 나옵니다.
앞서 했듯이 CPU 미동작 시간도 포함해서 계산해보면 0.09W 입니다.

정리해보면,
동작시 평균 소비전력 0.5W
전체 평균 소비전력 0.09W

듀얼코어 1.5GHz에서 1.5W 라면 두 배가 되겠지요.
동작시 평균 소비전력 1.0W
전체 평균 소비전력 0.18W

엑시노스5 옥타와 비교하면 둘 중 하나입니다.
1/2 이거나 같거나...


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엑시노스5 옥타의 실사용시 평균 소비전력은 스냅드래곤S4 쿼드코어의 2배 혹은 동급입니다.
러프하게 계산했기때문에 구체적인 수치들은 틀릴 수 있겠지만 그렇게 차이가 크지 않다는 결론에는 문제가 없을겁니다.

소비전력이 두 배라고 가정하더라도 앞서 확인한 Cortex-A15와 Krait 사이의 성능 차이까지 고려하면
성능 대비 소비전력은 2배 미만일 것이고 스냅드래곤S4 보다 높을 가능성이 높습니다.
게다가 엑시노스5 옥타 평균전력 계산에서 항상 4코어가 활성화되는 것으로 가정했는데,
실제로는 파워 게이팅으로 인해 모든 코어가 활성화되는 경우는 많지 않을겁니다.
그렇다면 실제 평균 소비전력은 1W 미만일 가능성이 높고요.

-
만약 동급이라면 더 이상의 논란은 무의미합니다.
스냅드래곤S4 프로가 스마트폰에 들어갔는데 소비전력 문제로 스마트폰에 엑시노스5 옥타가 들어가지
못할 이유가 없습니다.
갤럭시S4에 스냅드래곤 600 이 탑재될 것이라는 얘기가 있고 실제 스냅드래곤 600이 탑재된 제품의
벤치마크가 올라왔지요.
(삼성 SHV-E300S 그래픽 성능. (스냅드래곤 600 추정))
스냅드래곤 600은 스냅드래곤S4 프로와 같은 공정이고 CPU 클럭은 1.9GHz로 증가했습니다.
스냅드래곤S4 프로 1.5GHz의 최대 소비전력(CPU)이 3W라면, 1.9GHz에서는 산술적으로 3.8W 입니다.
스냅드래곤 800 이 최대 2.3GHz라고 하는데 산술적으로 4.6W가 나오지요.
물론 800의 경우 28nm HPM 공정이기때문에 누설전류가 적겠지만, 그건 Static power(idle 상태)에서나
의미있는 것이지 최대전력인 Dynamic power에서는 큰 변화가 없을겁니다.
어쩌면 4.5W 내외가 스마트폰 탑재의 마지노선인지도 모르겠네요.

-
하지만 평균 소비전력이 저렇다하더라도 삼성 입장에서는 스마트폰 탑재에 어려움을 겪을 가능성이 높습니다.
제품을 설계할 때 고려해야하는건 평균전력이 아니라 최대전력입니다.
발열 처리같은 부분은 최대전력에 맞춰서 이루어져야 하니까요.
TDP(Thermal Design Power, 열설계 전력)이 최대전력으로 인식되고, 중요시되는 이유입니다.
(TDP는 원래 해당 칩으로 제품을 제조하는 곳에서 칩의 방열기구를 설계하는데 참고하라고 만든 개념입니다.)
그런 측면에서 봤을 때, 4.5W라는 최대전력은 발열 측면에서 부담스럽겠지요.
(추측입니다만) 스마트폰 탑재를 위해 메모리를 PoP하는데도 부담이 적지않을겁니다.


- 2012.02.24. 스냅드래곤 소비전력 내용 추가, 결론 수정.