무어의 법칙 그 다음. 저전력 설계의 시대.

무어의 법칙이 깨졌다고합니다. 그러면 산업의 新로드맵은 무엇일까요?

쿠미의 법칙 : 약 2년마다 전력효율이 2배 증가한다. 저전력, 새로운 성능 목표.

무어의법칙, ‘트랜지스터의 집적도는 2년마다 2배씩 증가한다.’, 데나드 스케일링 ‘트랜지스터가 작아질 수록, 성능이 좋아진다’ 이 법칙은 현대까지 산업의 로드맵이 되었다. 하지만, 이 두 법칙은 최근에 깨지기 시작했습니다. 더이상 집적도를 높이기도 어렵고, 집적도가 높아져도 성능 효율이 전보다 진전을 보이지 않고 있습니다. 현재 트랜지스터 게이트 하나에는 원자 수십개에 불과할 정도로 작아지고 있으며, 다결정 구리의 개별 입자 구조는 신호 타이밍이 중요한 고려 사항이 되었다는 점에서 문제가 되었습니다. 2021년 현재 트랜지스터를 1억개정도 집적하려면 어느정도 크기가 필요할까요? 현재 공정에선, 3mm x 3mm정도면 1억개가 살짝 안되게 담을 수 있습니다.

우선, 저전력 설계의 회사의 대명사는 ARM社이고, 스타트업 SiFive가 있습니다. (참고로 이 회사들의 설계는 기존의 x86 설계와는 소비전력의 단위부터 다릅니다.) 소비전력이 줄면, 그냥 단순히 전기 소모량만 줄어드는 걸까요?

첫번째, 우리의 스마트폰은 왜 처음엔 빠르다가, 쓰다보면 느려질까요? 전자회로 내부에 전류가 흐르다보면, 발열이 생깁니다. 발열이 있으면 이동성이 줄어듭니다. 또, 강한 발열이 있으면 전자회로의 파괴 위험성이 있습니다. (극저전압 환경에서는 어느정도의 열이 필요합니다.) 발열 제한을 위해 성능제한을 하는 ‘쓰로틀링’이 생기고, 느려지게 됩니다. 전력 소모를 줄이는 효율적 설계를 하면, 쓰로틀링이 줄어들고, 성능 제한이 줄어들게되죠. 2021년, 지구에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터는 일본의 Fugaku입니다. 이 컴퓨터의 코어는 ARM社의 A64FX로 설계되었습니다. 아이폰, 갤럭시, 각종 퀄컴칩에 들어가는 프로세서들도 ARM社의 아키텍쳐로 만들어졌습니다.

두번째, 모든것이 전산화된 세상인데, 이 전산화된 반도체들의 전력을 줄인다면? 내 스마트폰의 속도는 빨라지고 배터리는 오래가고 / 개인의 전자제품부터 서버용 반도체까지 전기 사용이 줄어, 환경 문제 에 해결법을 제시할 수 있습니다. 예를 들어, 전기차의 소비전력이 매우 낮다면, 충전소에 갈 필요 없이 그냥 야외에 주차해 태양발전만 이용해도 될 것입니다. 그렇게 되면 화력발전소 등에서 생기는 환경 문제를 막을 수 있습니다.

저전력 설계는 어떻게 할까요?

2021년에 쉽게 떠오르는 저전력 + 고성능 + 대중적인 제품으론, 애플의 M1 SoC입니다. SoC라는 설계는 기존의 Non-SoC보다 데이터 교환이 더 효율적으로 일어납니다. M1에서 채택한 ARM의 RISC ISA는 기존의 x86보다 저전력으로 구동됩니다. 또, PIPELINE으로, 연속적으로 많은 양의 데이터를 처리합니다. M1은 Big-Little 구조입니다. CPU가 8코어지만, 반만 씁니다. 평소엔 저전력인 리틀코어 4개를 쓰고, 고성능 작업이 필요할 때에만 빅코어를 씁니다. DVFS, Dynamic Voltage Frequency Scale. 작업에 필요한만큼의 전압과 주파수를 인가합니다. tsmc 5nm 공정 등이 있습니다. 이외에도 다양한 이유가 있는데, x86에서 ARM core로 변화했다는 것이 가장 큰 요인입니다.

RISC-V 관련 기업은 아직 스타트업인 만큼, 애플, 안드로이드, 윈도우, 리눅스 등에서 포팅 작업 등을 하고있습니다. ARM은 CRFID라고 해서, 버스카드나 신용카드의 RFID처럼 배터리 없이 무선으로 정보 교환을 할 수 있는 프로젝트 Triffid를 연구중입니다.

저전력을 넘어, 배터리 없는 디바이스라니.. 너무나도 흥미롭습니다.