애플 A9 논란에 관하여. (삼성, TSMC 공정 비교.)

 

- 애플 A9 프로세서 제조가 삼성, TSMC로 알려진 이후 많은 논란이 있었습니다.

초기에는 숫자상 노드가 크다는 이유로 TSMC가 까이다가 보드 ID를 통한 AP 제조사 판별 앱이 나오고 삼성제의 배터리 성능이 더 안 좋게나오면서 다시 삼성이 까이고 있습니다.

(대상이 TSMC건 삼성이건 대다수는 비판이라고 볼 수도 없고 비난 수준도 못 됩니다.

깐다는 말 말고는 표현할 수 있는 방법이 없는 저질 논쟁입니다.)

노드 숫자 차이로만 공정성능을 판단하는 사람들 입장에서 삼성 공정 제품이 더 낮은 전력특성을 보였다는건 이해하기 힘든 현상이고, 그 때문에 TSMC가 16FF+ 공정으로 생산했다는 소리가 나오게 됩니다.

 

그럼 진짜 16FF 공정으로 14LPE 공정보다 좋은 성능을 보여줄 수 없는가. 확인을 해봐야 합니다.

오늘 할 작업이 그겁니다.

 

 

- 공정성능

공정성능을 평가하는 기준은 크게 3가지입니다.

Performance (Speed) - Speed Gain @ Same Power (Speed Gain @ Same Leakage)

 : 타공정대비 동일 전력에서 스피드(클럭)이 얼마나 올라가는가.

   아래 오른쪽 그래프를 보면 가로 방향 화살표입니다.

Power - Power Gain @ Same Speed (Power Reduntion @ Same Speed)

 : 타공정대비 동일 스피드(클럭)이 전력 얼마나 줄어드는가.

   아래 오른쪽 그래프를 보면 세로 방향 화살표입니다.

Area : 말 그대로 면적. 같은 사양에서의 칩사이즈.

소위 말하는 PPA입니다.

 

 

(TSMC 자료)

지금 사람들이 얘기하는건 주로 Area에 집중되어 있습니다.

면적이 곧 공정 성능을 대표해줄거라고 생각하고 있는거지요.

면적은 백엔드의 주로 최하단 메탈 라인에 의해서 결정됩니다. (흔히 말하는 M1, 첫번째 메탈 라인)

인텔은 핀펫으로 오면서 메탈 라인 중 가장 좁은 구간을 기준으로 얘기합니다.

M1이 아니라 M2, M3가 가장 작은 구간이 되었기때문입니다.

 

자 생각해 봅시다.

(이해하기 쉽기 설명하기위해 다소 부정확한 표현이 있을 수 있습니다.)

반도체는 결국 기본적으로 트랜지스터의 집단입니다.

트랜지스터 구조는 반도체 제품의 층으로 보면 최하층에 있습니다. 프론트 엔드(Front End)라고 부릅니다.

메탈 라인은 트랜지스터를 연결하는 배선입니다. 상층부에 위치합니다.

앞서 말했듯 백 엔드(Back End)에 해당합니다.

 

앞서 말한 PPA에서 PP를 결정하는건 배선일까요, 트랜지스터일까요.

메탈 라인의 영향이 아예 없다고 할 수 없으나, 결정적으로 작용하는건 당연히 트랜지스터, 프론트 엔드일겁니다.

면적만 보고 인텔이 진정한 14nm니 뭐니 하면서 공정 얘기를 하는건 정말 지엽적인 얘기를 하고 있는겁니다.

 

여기서 철저하게 소비자적인 관점에서 얘기해보면 사실 면적같은건 아무 상관없습니다.

성능(전력, 스피드)이 더 중요하지요.

면적은 원가가 중요한 파운드리에서 신경쓸 문제이지 소비자가 하나하나 신경쓰고 자존심 걸 부분이 아닙니다.

 

여담으로 칩웍스의 정보를 보면 같은 A9라도 TSMC제가 8.8%정도 면적이 더 큽니다.

(링크 : http://www.chipworks.com/about-chipworks/overview/blog/a9-is-tsmc-16nm-finfet-and-samsung-fabbed)

이는 숫자의 차이는 있지만 기존에 알려진 정보와 크게 위배되지 않습니다.

삼성 14LPE : Logic 78nm (sram 84nm) x 64nm (Gate Pitch x Metal Pitch)

TSMC 16FF/16FF+ : 90nm x 64nm (Gate Pitch x Metal Pitch)

 

 

- 공정성능 분석 (1) TSMC

TSMC의 기존 공개 자료를 종합해서 공정 성능을 비교해보겠습니다.

 

(TSMC 자료1)

 

(TSMC 자료2 : 2013년 자료)

 

(TSMC 자료3 : TSMC's core value, 구글에서 47eacbb1f4b969fe7c85bc9680a9685f 검색)

 

16FF+

28HPM 대비 Speed Gain +65%, Power Gain -70%

20SoC 대비 Speed Gain +40%, Power Gain -60%

(링크 : http://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/16nm.htm)

20SoC 대비 Speed Gain +40%, Power Gain -50%

(TSMC 자료3)

16FF 대비 Speed Gain +15%, Power Gain -30%

(링크 : https://www.semiwiki.com/forum/content/4110-iedm-tsmc-intel-ibm-14-16nm-processes.html)

 

16FF

28HPM 대비 Speed Gain +38%, Power Gain -46%

20SoC 대비 Speed Gain +20%, Power Gain -35%

(TSMC자료1, 2)

-> 이 자료를 종합하면

20SoC

28HPM 대비 Speed Gain +15%, Power Gain -20%

 

20SoC

28nm 공정 대비 Speed Gain +30%, Power Gain -25% (28LP 공정기준으로 추정.)

(링크 : http://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/20nm.htm)

 

이 내용을 정리해보면 이렇습니다.

 

 

20SOC의 Speed Gain, Power Gain을 100으로 놓고 보면,

16FF는 같은 전력에서 클럭이 120, 같은 클럭에서 전력이 65 이라는 의미입니다.

 

기준이 되는 자료에 따라 16FF, 16FF+의 값이 달라지는데 그나마 겹치는 자료 기준으로 잡는다면,

Speed Gain, Power Gain은 각각 이 정도로 잡을 수 있을듯 합니다.

16FF : 120, 70

16FF+ : 140, 50

 

 

- 공정성능 분석 (2) 삼성

삼성건 자료가 많지 않아 금방 끝납니다.

 

 

14LPE

20LPE 대비 Speed Gain +20%, Power Gain -35%

 

14LPP

14LPE 대비 최대 10% 향상

(링크 : http://www.samsung.com/semiconductor/foundry/process-technology/14nm/)

 

14LPP에서 말하는 10%가 구체적으로 어느 성능을 얘기하는지 알 수 없으나 최소한 면적에 대한 얘기는 아닐 것 같고, 스피드와 전력 모두 10% 개선된다고 가정하고 계산하면 아래와 같습니다.

 

 

 

- TSMC 20SoC vs 삼성 20LPE

삼성과 TSMC의 공정성능에 대한 factor가 대략 나왔습니다.

이걸 비교하려면 두 차트를 합칠 수 있는 부분이 하나라도 나와야하는데, 20nm 공정에서 그게 가능할듯 합니다.

같은 Cortex-A57 아키텍처를 제조한 이력이 있기때문입니다.

스냅드래곤810은 TSMC 20SOC, 엑시노스5433은 삼성 20LPE 공정으로 제조되었습니다.

두 공정 간 스피드 factor를 비교할 수 있습니다.

 

엑시노스5433 1.9GHz

스냅드래곤810 2.0GHz

 

앞서 삼성 14LPE가 20LPE 대비 스피드 게인 +20%라고 했는데, 이를 대입해보면

14LPE에서 Cortex-A57 클럭은 1.9 x 1.2 = 2.28 = 2.3GHz 입니다.

실제 엑시노스7420은 2.1GHz 였는데 삼성 엑시노스가 후속작에서 클럭을 10% 정도 올린다는 점을 생각하면,

그런 부분까지 고려해서 2.1GHz로 출시했다는 추정이 가능합니다.

어쨌든 20LPE에서 1.9GHz가 여유를 두지 않은 최대 클럭이라고 가정해도 앞뒤 정황은 들어맞습니다.

 

문제는 스냅드래곤810 클럭이 20SoC의 최대치인가 하는 점 입니다.

퀄컴에서 발열 문제를 인식하고 목표 클럭보다 낮춰서 출시했을 가능성이 있기때문입니다.

이렇게되면 20SoC에서 Cortex-A57 최대 클럭을 2.0GHz로 본다는 가정이 틀린게 됩니다.

지금으로는 어떻게 결론낼 수 없는 부분이기때문에 2.0GHz가 20SoC에서 Cortex-A57 최대 클럭이라는 가정을 유지하겠습니다.

 

결국 이 클럭 차이로 본다면 두 공정의 스피드 게인 차이는 5% 입니다.

20SoC가 100 이라면 20LPE는 95가 됩니다.

이 값을 기준으로 두 업체 공정의 스피드 게인을 종합하면 아래와 같습니다.

(파워 게인은 기준을 잡기가 힘드네요.)

 

 

 

- 왜 TSMC제 A9가 전력에서 더 유리한가.

16FF와 14LPE를 비교해보면 14LPE의 스피드 게인이 5% 정도 낮습니다.

그렇다면 이렇게 시나리오를 써볼 수 있습니다.

 

'

애플은 원래 TSMC에 A9 생산을 맡기려 했습니다.

TSMC의 16FF 공정에 맞춰 사양(=클럭)을 결정했을겁니다.

그 값이 지금 출시된 1.85GHz 입니다.

그런데 TSMC가 계약된 물량을 공급하지 못 하게 됩니다.

부족 물량을 급하게 삼성에 요청하게 됩니다.

16FF 기준으로 1.85GHz와 같은 전력이라면 14LPE는 약 1.76GHz로 계산됩니다.

하지만 14LPE에 맞춰 출시 클럭을 낮추기는 힘들었을겁니다. (성능 마케팅 측면에서)

결국 14LPE 공정 제품도 1.85GHz로 나옵니다.

공정 성능 대비 0.1GHz 높게 나온 것이고, 소비전력도 16FF 공정 제품보다 높아질 수 밖에 없습니다.

본래 16FF 기준으로 정해진 사양에 맞추다보니 14LPE에서는 소비전력이 상대적으로 높아졌다는 얘기입니다.

'

 

- 아직 완전히 결론내릴 수는 없는 상황.

물론 이건 현재 보드ID 기준으로 AP 제조사를 판별하는 방식이 맞고,

이를 기준으로 봤을 때 TSMC제 AP 탑재 제품이 삼성제 AP 탑재 제품보다 소비전력이 낮다는 테스트 결과가 맞다는 가정하에서 나올 수 있는 가설입니다.

어찌보면 결과론적인 해석인거고요.

칩웍스 등에서 실제 제품을 분해해서 제조사를 확인 후 제대로 소비전력 등을 측정한 테스트 결과가 나왔을 때 이제까지 나왔던 수많은 테스트들과 다른 결과가 나온다면 이 가정과 가설은 충분히 엎어질 수 있습니다.

 

그리고 이 내용만으로 16FF가 14LPE에 무조건적인 우위를 갖고 있다고 결론내기도 힘듭니다.

스피드 게인만 따졌을뿐, 파워 게인에 대한 비교가 아직 남아있기때문입니다.

스피드 게인 비교도 분석과정의 오류나 틀린 가정이 있을 수 있습니다.