AMD 3D V-캐시 : 차세대 라이젠 CPU에 적용되는 핵심 기술

안녕하세요, DPG 남영자 덕주임입니다. 지난 1일 컴퓨텍스에서 AMD 리사수 박사가 공개한 차세대 CPU 기술, '3D V-캐시'에 관심이 쏠리고 있습니다. 해외 유력 매체들에서는 이것에 대해 나름대로 분석한 글들을 올리고 있는데요, 국내에는 단순 뉴스만 있고, 정보를 정리한 글은 없어서 제가 그동안 AMD 3D V-캐시에 대해 알아본 내용들을 정리해봤습니다. 

1. AMD 3D V-캐시 = 차세대 CPU에 적용되는 신기술

▲ 3D V-캐시를 자랑하려고 밑밥(?) 깔고 계신 리사수 박사님

AMD 3D V-캐시를 아주 간단히 요약하면 'CPU 캐시메모리를 CPU 다이 위에 더 많이 쌓아 올린 것' 입니다. 칩렛(Chiplet) 스태킹의 결과물인데요. 반도체를 별도의 기판 없이 칩렛 다이끼리 위-아래로 쌓아서 적층식 반도체를 만드는 이론은 이미 예전부터 나와있던 것입니다만, 실제로 상용화가 가능한 '고성능' CPU가 나온 것은 처음이기 때문에 주목할만 합니다.  ('저성능' 적층식 CPU는 이미 인텔에서 만들었습니다. 사람들의 관심을 못 끌었을 뿐...)

AMD 3D V-캐시는 2021년 6월 1일, 온라인으로 진행한 컴퓨텍스 AMD 키노트 발표회에서, AMD 리사수 박사가 발표한 것입니다. 입으로만 떠든 게 아니라 실물도 들고 나왔으며 테스트 영상까지 보여줘서 좋은 반응을 얻었습니다. 성능 향상 폭이 꽤 컸기 때문입니다.

2. 기존 CPU와 3D V-캐시가 적용된 CPU의 차이점

▲ AMD 라이젠 CPU의 CCD에  3D V-캐시를 적용하는 모습 <출처 : WikiChip>

위 그림 상단에 보시면 아래쪽에 CCD가 깔려 있습니다. 그것이 기존 AMD 라이젠 CPU의 핵심인 CCD입니다. AMD 라이젠 버미어 CPU는 등급에 따라 하나의 CPU 안에 1~2개의 CCD가 있죠. 5600~5800X는 1개의 CCD가 있고, 5900~5950X는 2개의 CCD가 있습니다. 그리고 하나의 CCD 안에는 최대 8개의 코어가 있고, 중간에는 32MB 용량의 L3 캐시메모리가 있습니다. (5600X와 5900X는 코어를 2개씩 죽여서 하나의 CCD에 6개의 코어가 있습니다). 

이때 캐시메모리와 코어는 옆으로 평행하게 붙어 있습니다. 위-아래로 붙은 것이 아니라 좌-우로 붙어있는 구조인 것이죠. 이 상태에서는 캐시메모리를 더 늘리려고 해도 늘릴 수가 없습니다. 공간이 부족하기 때문입니다. 캐시메모리를 더 늘리려면? CCD의 크기가 커져야합니다. 여유공간이 생겨야 더 많은 캐시메모리를 넣을 수 있으니까요.  *기존 CPU/CCD에서 캐시메모리를 많이 넣을 수 없는 이유

그런데 이때, 여기서 3D V-캐시가 등장합니다. AMD는 기존 L3 캐시메모리와 동일한 가로x세로 사이즈로 만든 3D V캐시를 가져와서, 기존 L3 캐시메모리 위에 그대로 올렸습니다.

*여기에 쓰인 3D V-캐시 메모리는 대만의 TSMC에서 7nm 공정으로 만든 64MB SRAM 다이입니다. 3D V-캐시 메모리를 적용하는 기술도 TSMC의 SoIC(System on Intergrated Chips) 기술입니다. 삼성전자 파운드리도 힘내자 화이팅!

덕분에 3D V-캐시를 적용한 '차세대 AMD 라이젠 CPU'는 L3 캐시메모리 용량이 무려 96MB~192MB로 기존의 3배가 됩니다. 지연 시간에 대해서는 정확한 언급이 없었지만, 물리적으로 바로 위-아래로 딱 붙어버리는 것이니까 전기 신호를 주고 받는 지연 시간에서도 손해가 없을 것으로 예상됩니다. 용량만 늘어나는 게 아니라 신호를 주고 받는 효율도 아주 좋을 것입니다.

3D V-캐시(적층식 64MB 캐시 다이)가 적용된 CPU의 최종 캐시메모리 용량

1CCD 제품 = (32+64) = 96MB

2CCD 제품 = (32+64) + (32+64) = 192MB

*5600~5800X는 1CCD, 5900~5950X는 2CCD

*5600~5800X급 제품에는 적용되지 않을 수도 있음

 (AMD에서 최고급 제품에 우선 적용한다고 했기 때문입니다)

*컴퓨텍스에서 시연한 샘플은 5900X + 3D V-캐시

3. AMD는 어떻게 캐시메모리를 '잘' 겹칠 수 있었을까? 물리적으로 가능한가?

▲ AMD 3D 칩렛 설계 기술력이 뛰어나다는 것을 자랑하고 계신 리사수 박사님

3D 구조로 다이를 위-아래로 겹치는 것은 개념적으로는 신기한 일이 아닙니다. 이미 우리가 잘 아는 HBM 그래픽메모리(AMD 라데온 베가 그래픽카드 등에 쓰였습니다) 또한 3D 적층식으로 만들어진 것이며, 인텔의 포베로스(Foveros) 기술도 3D 적층을 적용한 기술입니다. 인텔이 포베로스 기술로 만든 CPU가 바로 레이크필드(Lakefield, 저전력 5코어 프로세서, 삼성전자 갤럭시북-S 같은 일부 초경량 노트북에 사용됨)입니다. 

아무튼 반도체 다이를 위-아래로 겹치는 것은 이제 흔한 기술이긴 합니다. 그런데 그동안 반도체를 겹쳐서 만든 결과물이 다들(HBM, 레이크필드) 신통치 않았다는 것을 생각해 보면, 겹치는 게 마냥 능사가 아니라는 것을 알 수 있습니다. 그런 가운데 AMD와 TSMC가 사실상 처음으로 '반도체를 겹쳤는데 성능이 좋은' CPU를 만들어낸 것이지요. 게임 성능이 현세대 대비 12~25% 올랐으니까요 (단, AMD가 행사장에서 공개한 게임에 한함, 다른 게임의 경우는 아직 알 수 없음)

AMD의 3D V-캐시가 (AMD에 따르면) 이렇게 특별한 이유는 뭘까요? 해외 매체들은 다이를 서로 겹치는(붙이는) 방법이 혁신적이기 때문이라고 분석합니다.

▲ HBM의 연결 밀도는 350개/㎟, 인텔 현세대 포베로스의 연결 밀도는 400개/㎟, TSMC+AMD가 합작한 AMD 3D V-캐시의 연결 밀도는 약 10,000개/㎟로 압도적인 차이가 있다. <표 출처 : WikiChip.org>  *밀도 측정 기준은 단위 면적당 와이어의 수,  와이어는 전기신호를 전달하는 통로, 단 다이렉트 본딩이나 하이브리드 본딩은 미세범프(미세요철)에 의존하지 않고 면과 면을 완전히 붙여버리기 때문에 정확한 범프/와이어 수 측정과 비교가 불가능할 수 있음.

▲ TSMC의 현세대 SoIC의 연결 밀도(범프 밀도)가 약 10,000개 라는 것을 표시한 그림 <그림 출처 : TSMC>

반도체 적층은 서로 다른 두 개의 다이를 위-아래로 붙이는 기술입니다. 그러면 결국 얼마나 잘 붙이는지, 신호가 통하는 연결 고리가 얼마나 많이 생기는지가 중요할 것입니다. 지금까지의 적층 방식은 마이크로범프(미세요철)를 이용해서 간접적으로 연결하는 방식이었는데요 (아래 그림의 왼쪽). 이번에 AMD와 TSMC가 만든 것은 별도의 마이크로범프 없이 두 개의 다이를 그냥 딱 붙여버리는 직접 본딩 방식을 썼습니다. (아래 그림의 오른쪽)

이게 말은 쉽지만, 실제로는 구현하기가 어렵습니다. 두 개의 초미세공정 반도체 다이를 정확한 위치에 고정시켜야하는데, 아주 미세한 오차만 생겨도 전기 신호가 통하는 통로가 어긋나서 못 쓰게 될겁니다. 또 두 개의 다이를 딱 붙이려면 반도체가 그만큼 매끈하고 평평해야 하는데요, 평평하게 깎는 것도 쉬운 일이 아닙니다.

<그림 출처 : WikiChip>

마침 AMD에서도 이 내용을 공식 유튜브 채널에서 쉽게 설명해주고 있습니다. 아래 영상의 3분 27초부터 보시면 됩니다.  

▲ 왼쪽은 3D V-캐시(추가적인 L3 캐시메모리)이고 오른쪽은 CCD 다이

▲ CCD 다이를 뒤집어서 95%를 깎아낸다

▲ 그 위에 3D V-캐시 메모리를 올린다

▲ 완성된 결과물의 모습. 아주 평평하게 깎은 다이-다이를 완전히 밀착시켜서 본딩한다

▲ 완성된 결과물의 각 부위별 설명. PCB를 통하지 않고 반도체끼리 직접 통신하는 방식 

<출처 : AMD 유튜브 공식채널, WikiChip>

4. 3D V-캐시 쓰면 성능이 좋아지나? 

AMD에 따르면 '좋아집니다'. 6월 1일 AMD가 3D V-캐시를 발표한 벤치마크 결과를 보면, 도타2 +18%, 기어즈5 +12%, 몬헌:월드 +25%, 리그오브레전드 +4%, 포트나이트 +17% 등으로 엄청나게 높은 수준입니다. CPU만 바꿨는데 저정도 성능 향상이 나온다는 거죠. 저사양 게임인 리그오브레전드를 제외하면 12~25%에 달합니다. 이정도 성능 향상은 CPU를 몇 등급 더 높은 제품을 구매했을 때나 얻을 수 있습니다.

해외 유명 PC/IT매체인 아난드텍이 AMD와 전화로 통화한 내용을 6월 2일 기사에 덫붙였는데요. 아난드텍이 AMD와 통화한 내용에 따르면 이 3D V-캐시 기술은 "젠3 기반의 라이젠 프로세서 차기작"으로 제품화된다고 하고, 2021년 연말에 본격적으로 생산을 시작해서 2022년 1분기에 공식적으로 출시될 가능성이 있다고 합니다. 아마도 마지막 AM4 CPU인 라이젠 워홀이 되지 않을까 싶습니다. 

AMD의 차기작은 과연 어느 정도의 성능을 보여줄까요? 라이젠 워홀은 AM4의 최종보스가 될 수 있을까요? 여러분의 의견을 남겨주십시요. 저는 다음 시간에 더 재미있는 정보들을 파서 돌아오겠습니다.