세대교체 효과 있을까?, 3세대 라이젠 아키텍처와 기본성능 체크

 

1년 3개월만에 세대교체가 이루어지는 AMD 3세대 라이젠 프로세서가 7월 7일 오늘부로 공식적으로 시장에 선보여진다.

지난 1세대가 6코어,8코어 CPU 시대를 열었고, 2세대가 이를 좀더 다듬은 세대였다면, 이번 3세대 라이젠은 일반 소비자들에게 12코어, 16코어 시대를 여는 기념비적인 세대라고 할 수 있겠다.

또한, 이번 3세대 라이젠은 12nm에서 7nm로 미세공정화 했으며 이를 기반으로 아키텍처 차원에서의 구조적인 변화를 꾀함과 동시에 2세대 제품군들에게서 아쉬웠던 부분들을 보강하고 개선한 구조를 골자로 하고 있다.

그래서 케이벤치에서는 이번 Zen2의 아키텍처에서 어떠한 변경점이 있는지 살펴보고난 뒤, 전세대 R7 2700X와 동급 라인업인 R7 3700X의 성능과 그 차이를 살펴보는 시간을 마련했다.

 

■ 최초의 데스크탑 7nm CPU

약 1년하고 몇개월 텀으로 선보이는 Zen, 라이젠 프로세서는 본격적인 어느새 3세대까지 왔으며 앞으로 계속해서 이어질 예정이지만 이번 3세대 라이젠 프로세서는 의미가 남다른 것있다면 바로 7nm 공정을 최초로 적용한 x86 CPU란 점이다.

7월 7일이라는 출시일도 7nm 공정을 의미하기 위해 정해진 것으로 알려질 정도로 이번 7nm 공정을 통해 라이젠 프로세서에 여러 변화가 적용되었다.

3세대 라이젠 프로세서의 7nm 공정을 통해 얻는 변화는 일반적으로 알려진  미세공정으로 얻는 효과 그대로다.

작고 더 적은 전력을 이용하면서 더 빠른 트랜지스터를 구성됨과 동시에, 2세대 라이젠 프로세서와 비교해 단위 면적당 2배의 밀도가 되었다. 또, AMD는 동일 성능에서 전력이 절반 수준으로 감소했다고 밝혔으며, 1.25배의 성능 향상이 있을 것이란 분석도 선보였다.

이를 통해 첫 1세대 라이젠 프로세서에 비해 IPC가 15% 가량 상승했다고 밝혔다.

3세대 라이젠 프로세서는 7nm 공정으로 제작됨과 동시에 구조적인 변화도 함께 했다. 바로 칩렛 디자인이다.

AMD는 이전세대의 HEDT/서버 제품군에서 MCM(Multi Chip Module) 구조를 적용하고 이를 IF(infinity Fabric)로 코어 다이를 인터커넥트 시켜 활용하는 방식을 활용했었는데, 이 방식을 이번 3세대 라이젠 프로세서 데스크탑 제품군에 적용한 것이다.

3세대 라이젠 프로세서는 CCD 2개, I/O 다이를 밖으로 빼서 각각을 하나의 칩 위에 얹은 칩렛 디자인으로, 이는 7nm 공정을 통해 기존의 크기를 줄일 수 있었기에 가능한 디자인으로, 이미 일전에 IF를 활용했던 노하우를 바탕으로 더욱 최적화 되어 구현됐다.

이러한 구조적인 변화와 함께 7nm는, 추후 출시될 16코어 제품군을 선보일 수 있게 된 주된 원동력이라고 해도 무방하다.

 

■ 보강하고 개선된 Zen2 마이크로아키텍처

이번 Zen2 마이크로아키텍처는 여전히 기존 2스레드 에 1코어를 활용하는 SMT 구조를 띄고 있지만 여러 부분에서 보강되고 추가된 부분이 있다.

가장 먼저 새로운 것은 프론트 엔드단에 TAGE(TAgged GEometric) 분기 예측기가 추가 투입되었다. 이 분기 예측기 투입을 통해 분기를 보다 정확하게 예측하면서 싱글 스레드 성능 향상을 얻을 수 있게 됐다.

분기 예측의 정확도가 높아지면 당연히 분기 예측 실패의 가능성이 낮아지고, 그에따른 불필요한 실행이 줄어든다. 또한, 그에 따라오는 절전 효과도 얻을 수 있어 전력 개선에도 영향이 미치는 부분이 있다.

이외에도 Zen2 마이크로아키텍처는 SIMD(Single Instruction, Multiple Data) 연산 파이프가 128비트에서 256비트로 확장되며 부동소수점 연산 성능이 2배가 되었다. 정수 파이프도 로드와 스토어가 확장되어 파이프 수가 1개 늘었으며 명령 스케쥴, 오더버퍼, 물리 레지스터도 확장되어 더 많은 명령을 내부에서 제어할 수 있게 되는 특징도 가미되었다.

 ìƒˆë¡œìš´ 부분 추가와 확장된 변화 덕분에 앞서 말한 1세대 Zen 아키텍처 대비 IPC가 15% 향상되었다는 지표도 달성 할 수 있었던 것으로 보인다.

이번 Zen2 마이크로아키텍처의 큰 특징으로 또다른 부분은 L3 캐시의 2배 증가가 있다.

 ì´ì „ 세대의 아쉬운 점으로 꼽혔던 메모리와의 레이턴시 부분이 이 L3 캐시 증가로 인해 크게 개선될 것이라고 밝힌바 있다. 또, 캐시에 새로운 명령어 CLWB(Cache Line Write Back), WBNOINVD(Write Back and Do Not Invalidate Cache), QOS(Quality of Service)를 도입해 보다 유연한 캐시 활용이 예상된다.

이번 I/O 다이, clOD는 DDR4 듀얼 채널 메모리 탑재와 DDR4-3200 메모리를 기본으로 지원한다. 그리고 이전 Zen+ 마이크로아키텍처와 다른점은 PCIe 4.0 지원이 있으며, 32레인의 고속 직렬 인터페이스가 탑재된다.

이중 24레인은 PCIe 4.0이, 나머지 4레인은 칩셋 연결부분에 활용된다. 그외에도 12개의 USB 3.1 포트와 4개의 USB 2.0 포트도 clOD에서 제공한다.

I/O 다이, clOD 내부 로직 인터커넥트는 앞서 말한 IF가 활용되었고 CCD와 clOD 간에는 32B/cycle로 통신을 하며  clOD에서 전체 메모리 컨트롤러와 통신을 주고 받아 DRAM에 관여하도록 설계된 것이 특징이다. 특히, clOD가 분리 되어 있기 때문에 CCD가 늘어난다해도 clOD 하나로 접근되기 때문에 데이터 교환 처리는 clOD 하나로 모두 처리할 수 있다는 장점도 눈여겨 ë³¼ 수 있는 대목이다.

이번 Zen2 마이크로 아키텍처는 본 기사에서 소개한 부분, 더 깊은 부분까지도 성능 개선을 위해 다양한 최적화 작업, 새로운 기능과 명령어 투입, 구조적 변화까지 포함된 것을 알 수 있다.

결과적으로 AMD는 인텔의 틱톡 전략(제조공정 전환-아키텍처 개선)과 달리 세대를 거치면서 제조공정과 아키텍처 개선까지 동시에 이루는 전략을 이번 3세대의 마이크로아키텍처까지 잘 수행해 낸 것으로 보인다.

아직 출시 초기이고 이제 막 소비자들의 손에 신제품이 쥐어질 만큼, 실사용하면서 여러 부분에서 문제가 없는지 기다려봐야 하겠지만, 공개된 내용과 소개된 내용들을 살펴보면 의미있는 변화가 가득했던 3세대 라이젠 프로세서라고 할 수 있겠다.

 

■ 동일 클럭으로 비교 결과, 아키텍처의 변화 그 성능은?

3세대 라이젠 프로세서의 소개에 1세대 대비 IPC가 최대 15% 상승했다고 밝힌 바 있다. 이는 산업표준 향상 수치보다 높은 향상 폭이라고들 하는데, 정말 그런지 테스트를 진행 해볼 필요가 있다. 다만, 기간상으로 2년이 넘은 제품인 1세대와의 비교는 2세대가 보급된 현시점에서 비교 의미가 사실상 크지 않을 것으로 생각된다.

따라서, 현재 활발하게 사용하고 있는 2세대 라이젠과 이번에 새로이 출시한 3세대 라이젠의 아키텍처의 변화에 따른 기본성능을 비교해보는 것이 앞서 변화한 요소들의 효과가 어느정도 있는지 살펴볼 수 있을 것으로 생각된다.

비교를 위해서 동일한 라인업으로 구성했다. 라이젠 R7 라인업의 3700X와 2700X다.

또한, 아키텍처의 변화에 따른 기본성능을 파악하기 위해 두 제품 테스트시에 모두 부스트클럭을 OFF 했으며 클럭도 동일하게 3.7GHz에 1:1 으로 매칭했다. (3700X은 기본클럭을 3.7GHz로 오버)

CPU 외에 사용된 하드웨어, 그 중 메인보드는 3세대 라이젠 프로세서와 함께 출시한 ASUS ROG Crosshair VIII HERO(Wi-fi) X570 칩셋 메인보드를 활용했다. 오버클럭 테스트에도 무리 없는 수준급의 고성능 메인보드다.

다른 하드웨어로, 그래픽카드는 엔비디아 RTX 2070oc 모델을, 메모리는 16GB에 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 메모리클럭 2666MHz 듀얼채널을 기준으로 두었다.

실시된 테스트는  Sisoftware Sandra 2018 Sp4c, CinebenchR15, X265 BenchMark 2.2, blender, CpuZ Benchmark, 3DMark 및 최신 게임들로 구성되었다.

먼저 CPU 본연의 성능을 알아볼 수 있는 벤치 툴을 활용한 결과 값들이다.

가장 기본적인 성능을 볼 수 있는 Sandra 2018 Sp4c 테스트에서 이번 3세대 라이젠, Zen2 마이크로아키텍처의 진화한 모습과 이전 세대와의 차이를 확연하게 볼 수 있었다.

연산성능 부분이나, 크게 증가한 멀티미디어 성능, 이미지 프로세싱이나 멀티코어 효능 등을 살펴볼 수 있는데, 특히, 출시 이전부터 개선되었을지, 이후변경된 구조적인 변화가 공개되었을때부터 우려되었던 메모리 레이턴시 부분이 크게 개선된 결과 값을 확인할 수 있다.

연산적인 부분이야, 새로운 분기예측기 도입, 연산파이프 256bit 증가, 최적화 작업을 통해 부동소수점 연상 성능이 늘은 것으로 알려지면서 어느정도 예상 되었지만, 메모리 레이턴시 부분은 이번에 구조적인 부분이 칩렛 구조로 변경되고 I/O 다이가 밖으로 빠지면서 2세대에 비해 오히려 더 저하되는 것이 아니냐는 의견을 있었기에 그 예상을 뒤집는 결과 값은 놀랍다.

이는 L3 캐시 2배 향상을 통한 결과다. 캐시 명령어 추가 등 여러 변화도 있지만, AMD는 이번에 L3 캐시메모리를 2배로 향상 시키면서 유효 메모리 레이턴시를 효율적으로 개선할 수 있게 되었다고 이미 밝힌 바 있기 때문이다. 그에 따라 메모리 레이턴시는 테스트에서는 약 38%에 달하는 개선을 보여주었고 이미 알려져있다시피 메모리 대역폭 확장도 이루어져서 괄목할만한 메모리 레이턴시와 메모리 대역폭을 향상을 이번 세대에서 경험할 수 있을 것으로 보인다.

이외에도 보편적인 테스트인 CPU 렌더링 테스트인 Cinebench R15, 블렌더 렌더링 시간 테스트, 멀티미디어 테스트인 X265 벤치마크 테스트 등에서 큰 향상도 함께 볼 수 있다.

이번에 AMD에서는 브리핑을 E3 2019에서 할만큼 게이밍에 큰 기준을 두고 있다. 함께 출시할 5700XT나 5700에서도 게임클럭이라는 새로운 용어를 만들어 활용하기도 하고 있으며, 이번 3세대 라이젠 프로세서에서도 게임캐시라는 L2와 L3 캐시를 합친 값을 표기하기도 하고 있다.

그렇다면 기존 2세대 대비 3세대는 얼마나 게임에서 성능향상을 맛볼 수 있을까? 최신 게임과 3DMark 테스트를 통해 간단하게 살펴본 값이다.

3DMark와 게임 테스트 결과, 2700X와 비교해 3700X와 2700X의 부스트 클럭 OFF, 동일클럭에서도 확실히 앞서는 모습으로 아키텍처 차원에서의 성능향상이 게이밍에서도 충분히 영향을 미치고 있음을 확인 된다.

위 차트에서 유념해야할 부분은 4K 해상도에서의 성능 비교다. 결과상으로 3700X와 2700X간에 4K 테스트 결과값이 큰차이를 보이지 않아 고해상도에서 개선되지 않았다고 보일 수도 있다. 이는 CPU와 GPU의 관계 때문으로, CPU에서 GPU 제공하는 명령 할당량은 동일한데 이때 해상도가 올라가게되면 GPU에 여유가 없어지고 그 이상의 성능을 내기 힘들기 때문에, 이러한 상황에서 CPU의 성능이 올라가더라도 큰 차이를 보이지 않게 된다.

따라서 4K에 좀더 능한 고성능 GPU를 탑재하고 테스트를 해보았다면 초고해상도 게이밍에서 CPU 성능차를 좀더 유의미있는 차이도 나타내볼 수 있지 않았을까 싶다. 해당 결과만 놓고 보면, GPU 성능이 애매하다면 굳이 초고해상도 게이밍을 활용하기보다는 적당한 수준에서 플레이하는 것이 더 쾌적할 뿐 아니라 CPU 성능도 더 끌어낼 수 있는 게이밍 환경을 만들 수 있을 것이라는 결과로도 볼 수 있다.

 

■ 7nm 효과? 확실히 개선된 소비전력

이번 3세대 라이젠 프로세서와 2세대 라이젠 프로세서의 차이는 성능적인 부분외에도 전력소모적인 측에서도 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.

일단 기본적인 스펙상으로 3700X와 2700X는 TDP 차이가 꽤나 있다. 2700X는 105W, 3700X는 65W로 일반적으로 2등급 이상 낮아진 TDP도 확인할 수 있다.

그 차이만큼이나 실제 테스트에서도 큰차이를 보인다. 시스템 전체 소비전력이긴 하지만, CPU 하나의 차이로 소비전력차이가 꽤나 나는 모습이다.

당연히 이러한 소비전력의 변화 결과의 중심에는 7nm 공정이 있을 것이며 여러 부분들의 아키텍처 최적화 작업이 함께 어우러진 결과로 보인다.

 

■ 세대교체의 의미를 보여주다

이번 3세대 라이젠 프로세서는 불도저-젠 당시 만큼은 아니지만 젠 프로세서 역사에 큰 기점이 되는 부분이란 생각이 든다.

이전 2세대 라이젠 프로세서는 미세공정개선 같은 부분도 적용되긴 했었지만, 사실상 이전 1세대의 아쉬운 부분들을 보완한 수준이였고 여전히 아쉬운 소비전력이나 성능 부분들이 있었기에 사실상 리프레쉬격이라고 보는게 맞다는 생각이다.

그러나 이번 3세대 라이젠은 Zen2라는 넘버링이 제대로 붙은 만큼 성능적으로나, 구조적으로 변화가 적용되었고 특히, 7nm라는 2배에 가까운 미세공정개선을 통한 큰 변화를 보여준다.

그 결과로 본문에서 볼 수 있듯이 확연한 성능향상을 제공받을 수 있는 진정한 세대교체의 제품임을 확인시켜준다.

지난 세대에는 AMD의 제품을 볼때, 많은 PC 유저들은 현세대가 아닌 이전 세대의 인텔 제품과 비교를 하곤 했다. 그러나 이번에는 아예 AMD에서 직접 현세대 인텔 제품과 비교 매칭하는 모습을 전세계적으로 보여주었다. 그만큼 이번 Zen2, 3세대 라이젠 프로세서에 자신감이 있다는 것으로 생각된다.

물론 직접 비교를 해가며 확인해보아야 할 부분들이 여전히 남아있지만, 가격적인 비교에서도 밀리고 있는 현재, 당분간 소비자들은 3세대 라이젠에 더 많은 손이 가지 않을까 싶다.

그리고 이번 7월7일에 함께 공개되지는 못했지만, 데스크탑 프로세서의 16코어 시대를 여는 제품도 라인업에 함께하고 곧 선보여질 예정인 만큼, AMD가 야심차게 선보인 이번 3세대 라이젠 프로세서는 당분간 PC CPU시장의 돌풍이 될 것으로 보인다.


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