POWER(마이크로프로세서)
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1. 개요
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IBM® Power™ 프로세서의 코어의 모습
IBM에서 만든 마이크로프로세서 아키텍처. 1980년 IBM에서 발표한 RISC 아키텍처의 개념에서 나온 마이크로프로세서 아키텍처이다. 'Performance Optimization With Enhanced RISC'의 약자다.
2. 역사
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▲ POWER1 프로세서의 각 부분들이 별개의 칩들로 구성되어 있는 것을 볼 수 있다.
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▲ POWER3 CPU가 두 개 박아져 나온 기판. 옛날 POWER의 대부분은 이와 같이 기판에 박아서 나왔다.
마이크로프로세서가 등장했음에도 불구하고, 신뢰성 등의 이유로 여전히 트랜지스터 기반 CPU를 채택하고 있던 IBM 메인프레임을 개선하기 위해 RISC 아키텍처의 개념이 등장하였고 이를 실현한 것이 POWER 마이크로아키텍처이다.
POWER는 IBM의 다양한 메인프레임 아키텍처를 효과적으로 통합하려는 취지에서 개발되었으나 무려 10여년이 지난 POWER4에 와서야 그 목적을 달성할 수 있었다. 32/64비트 POWER 마이크로아키텍처(64비트 자체는 POWER3부터 도입되었다.), 그리고 항공사 등 정수 연산에 특화된 요구에 부응하는 아마존(RS64) 마이크로아키텍처. 32/64비트 PowerPC 마이크로아키텍처가 모두 통합됨과 동시에 지금 같은 형태의 멀티코어 프로세서가 구현된 최초의 상용 마이크로프로세서가 POWER4이다.
1990년 최초로 등장한 POWER1은 마이크로프로세서가 아니었지만, POWER2의 일부 계열에서 마이크로프로세서화 되었고, POWER3에 이르러서 완전한 마이크로프로세서의 형태를 갖추게 되었다. 여러 개의 칩으로 구성된 CPU인 POWER1을 마이크로프로세서화 하는 과정에서, 메인프레임 외의 분야에서도 이걸 잘 굴려서 짭짤한 맛 좀 볼까...하고 개발하게 된 것이 PowerPC이다. PowerPC와 이를 기반으로한 파생형 프로세서인 CELL-Broadband Engine이나 RAD750도 POWER의 ISA를 따른다. 또한 군사 & 우주용 CPU으로 사용되는 RAD5500, RAD6000 모두 POWER의 ISA를 따르기 때문에 파생형이라 할 수 있다.
2013년 8월 6일, IBM은 OpenPOWER 컨소시엄을 구성해, 컨소시엄 회원들에게 아키텍처를 개방했다. 2019년 8월 20일 IBM은 OpenPOWER 재단을 세워 리눅스 재단에 기증했다.
2020년 8월 17일, 시리즈의 최신 제품군인 POWER10이 공개되었다. 삼성전자 7nm 공정으로 생산되며, 2021년 제품 인도 예정이다.
3. 특징
한마디로 '''현재 존재하는 컴퓨터 처리ㆍ연산 장치 기술력의 최첨단'''이라 할 수 있다. POWER가 갖는 성능은 기술 계열 상 최소 3년, 길게는 8년까지도 앞선 것으로 평가 받고 있으며, 동세대의 다른 CPU과는 비교할 수 없을 정도로 막강한 성능을 보여주고 있다. 보통 메인프레임이나 대규모 서버의 경우에는 신기술 도입을 보수적으로 하는 데 반하여 IBM의 경우에는 비교적 공격적으로 도입하고 있기 때문에 다른 경쟁 기업들의 추종을 불허하고 있다[1].
POWER 제품군은 동세대의 다른 프로세서들에 비해서 우월한 동작 클럭과 비교할 수 없을 정도로 빠른 데이터 대역폭을 갖고 있다. 때문에 CPU에 한꺼번에 많은 양의 부하가 걸릴 때 100%의 CPU 점유 시 자원 가용성을 최대 97%까지 끌어올릴 수 있다. 이처럼 CPU가 효율적으로 자원을 활용할 수 있기 때문에 POWER 한 개가 동 세대의 제온 CPU 2~4개의 성능을 내기도 한다.
POWER 제품군을 개인용 컴퓨터에 적절하게 개량한 것이 PowerPC으로, 이 역시 그 당시 동세대의 인텔 프로세서에 비해서 우월한 성능을 보여 주었다. 한 가지 예로, PowerPC 603의 부동소수점 레지스터가 고자 수준이었는데도 동세대의 인텔 마이크로프로세서보다 성능이 좋았다. 이는 마이크로프로세서의 멀티미디어 처리 기술 수준이 상대적으로 떨어졌던 IBM의 당시 현실을 보여 준다. 사실 당시 IBM은 경영 악화로 인해 꽤 어려움을 겪어 기술 연구에 상당히 제약을 받던 시절이었다. 한편, PowerPC 603은 느린 부동소수점 연산 성능을 동작 클럭으로 극복하였다. 이런 방식은 비효율적이었지만 당시의 멀티미디어 기술 수준을 고려할 때 큰 문제는 아니었다.
과거 POWER 프로세서는 여타 프로세서들 처럼 소켓에 탈착할 수 있는 것이 아니라 기판에 납땜했다. 때문에 POWER 프로세서가 들어간 컴퓨터를 구입하면 CPU를 교체하는 것은 불가능했다. 그러나 요즘은 LGA 비스무리하게 나오는 덕분에 교체가 가능하다. 그럼에도 불구하고 탈착 작업이 번거로운 편이긴 하지만, 업그레이드가 완전히 불가능한 건 아니다.
3.1. 장점
- 우월한 동작 클럭
IBM POWER 시리즈는 기본적으로 동세대 제온보다 1~2GHz 이상 높은 클럭을 자랑한다. POWER6, 8 프로세서의 경우에는 기본 클럭이 5GHz인 것들도 있다.
- 우월한 용량의 eDRAM 캐시 메모리
POWER 시리즈 프로세서의 캐시 메모리의 용량은 엄청나게 커 활용성이 좋다.
- 우월한 트랜잭션 속도
아크로펜에 관련 자료가 있지만, 간단하게 설명해 보면 POWER 마이크로아키텍처 같은 RISC 프로세서는 전부 트랜잭션 속도가 빠르다. 썬마이크로시스템즈의 SPARC도 이것이 장점이었다. 이것은 코어간 혹은 코어 밖 통신을 위한 크로스바 인터커넥트 구성 덕분이며, 그로 인해 할 일하다 뭔가 자료가 모자라서 멈추면 그 일을 메모리에 고스란히 올려두고 다른 작업을 불러와 그것을 수행한다.(이것을 데이터 패치라고 부름). x86도 가능하지만 POWER 계열에 비해 속도가 많이 느리다.
이 점은 막대한 양의 데이터를 처리해야 하는 데이터 백업기, 메인프레임, 중대규모 서버에서는 매우 중요하다.
이 점은 막대한 양의 데이터를 처리해야 하는 데이터 백업기, 메인프레임, 중대규모 서버에서는 매우 중요하다.
- 빠르게 적용하는 데이터 버스
RAM이나 데이터버스의 성능이 중요한 서버에서 많이 사용되는 만큼 다른 플렛폼보다 신기술 적용이 빠르다. 2020년 발표한 POWER10은 DDR5를 적용하고 PCIe는 5.0을 사용한다. 동세대 x86-AMD64와 ARM(CPU)은 모두 2020년엔 DDR4와 PCIe 4.0을 사용한다.
- 단일 칩에 집적된 코어 수는 적지만 칩의 개별 성능은 높음
(위 사진은 POWER5 블럭으로, 4코어에 각 코어당 36MB의 L3 캐시 메모리(!)가 할당되어 있다. 출시일은 2004년(!)이다.)
x86 계열 제품군들이 하나의 칩에 여러 코어를 탑재하는 방식으로 진화하고 있는 반면, POWER는 하나의 칩에 적은 수의 코어만 탑재하고 여러 칩을 한꺼번에 플레이트에 탑재하는 방식으로 진화하고 있다. 이러면 여러 칩을 인터 커넥트로 연결하고 전원을 배분해 관리해야 하기 때문에, 하나의 칩에 여러 코어를 탑재하는 방식보다 설계하기 더 어렵다. 하지만 이 방식은 전력을 소비하고 열이 발생하는 코어를 분산시키는 효과가 있기 때문에 발열과 소비 전력을 훨씬 효과적으로 관리할 수 있다.[2] 또한 여러 칩을 하나의 플레이트에 박아 넣어서 POWER는 외형상 엄청난 코어를 갖는데, POWER795(MaxCore) 제품의 경우 하나의 플레이트에 8코어 짜리 칩이 32개가 있어서 총 256코어 1024 스레드를 자랑한다. 거기에 동작 속도가 4.0GHz인 것은 덤.
이렇다고 해서 하나의 개별 코어의 성능이 딸려서 이렇게 무식하게 때려 박는 식으로 제품이 발전한 게 아니냐고 할 수 있지만, 위에서 기술된 바와 같이 POWER는 동세대의 제온에 비해 우월한 성능을 자랑한다. 실제로 POWER7 시리즈 중 가장 사양이 낮은 710은 단일 칩셋에 6코어를 갖고 4.0GHz로 작동하는데, 이는 인텔 제온의 가장 높은 제품군인 E7에 비해 우월하다. 또한 제온은 코어 하나에 2스레드만 처리할 수 있는데 비해, POWER8 시리즈는 앞서 말했듯 하나의 코어에 8개의 스레드를 동시에 처리할 수 있으며, 스레드 당 성능도 POWER8이 더 좋다.
x86 계열 제품군들이 하나의 칩에 여러 코어를 탑재하는 방식으로 진화하고 있는 반면, POWER는 하나의 칩에 적은 수의 코어만 탑재하고 여러 칩을 한꺼번에 플레이트에 탑재하는 방식으로 진화하고 있다. 이러면 여러 칩을 인터 커넥트로 연결하고 전원을 배분해 관리해야 하기 때문에, 하나의 칩에 여러 코어를 탑재하는 방식보다 설계하기 더 어렵다. 하지만 이 방식은 전력을 소비하고 열이 발생하는 코어를 분산시키는 효과가 있기 때문에 발열과 소비 전력을 훨씬 효과적으로 관리할 수 있다.[2] 또한 여러 칩을 하나의 플레이트에 박아 넣어서 POWER는 외형상 엄청난 코어를 갖는데, POWER795(MaxCore) 제품의 경우 하나의 플레이트에 8코어 짜리 칩이 32개가 있어서 총 256코어 1024 스레드를 자랑한다. 거기에 동작 속도가 4.0GHz인 것은 덤.
이렇다고 해서 하나의 개별 코어의 성능이 딸려서 이렇게 무식하게 때려 박는 식으로 제품이 발전한 게 아니냐고 할 수 있지만, 위에서 기술된 바와 같이 POWER는 동세대의 제온에 비해 우월한 성능을 자랑한다. 실제로 POWER7 시리즈 중 가장 사양이 낮은 710은 단일 칩셋에 6코어를 갖고 4.0GHz로 작동하는데, 이는 인텔 제온의 가장 높은 제품군인 E7에 비해 우월하다. 또한 제온은 코어 하나에 2스레드만 처리할 수 있는데 비해, POWER8 시리즈는 앞서 말했듯 하나의 코어에 8개의 스레드를 동시에 처리할 수 있으며, 스레드 당 성능도 POWER8이 더 좋다.
3.2. 단점
- 개발과 관리의 어려움
다만, 이러한 단점은 IBM에서 POWER6가 나온 즈음부터 리눅스로도 공급하고 있기 때문에 개발의 어려움은 크게 줄어들었다. 현재는 POWER에도 가상화 기술을 적극적으로 도입해 거의 대부분의 리눅스 배포판을 올려 사용 가능하다. 이제는 적어도 소프트웨어 영역에 한해서 만큼은 관리하기 어렵다는 말은 다 옛말이 되었다.
- 전기 먹는 하마, 그리고 엄청난 발열
소비 전력량이 엄청나다. IBM은 소비 전력을 절감하려고 설계 면에서 노력했음에도 불구하고, 다이 면적이 제온의 두 배 가까이 되는 데다 클럭까지 높다 보니 어쩔 수 없이 그렇게 되었다.
또한 소비 전력량이 엄청난 만큼 발열도 엄청나다. POWER가 탑재된 소형 서버만 해도 비행기 소음 수준의 엄청난 냉각 소음이 발생하며, 서버의 규모가 커질 수록 더욱 커질 수 밖에 없다. 결국 POWER7에 이르러서 서버나 메인프레임에서는 신뢰성 문제로 그동안 사용하지 않던 수랭 시스템을 허용했다. 공랭 시스템의 고장 원인은 주로 팬이며 유지 보수가 비교적 쉽다. 그런데 수랭 시스템의 경우 고장이 나는 원인으로 팬을 비롯해, 펌프 고장, 관로 막힘 등 다양하며 누수라도 나면 치명적이다. 덕분에 수랭 시스템은 꼼꼼한 관리가 필요하다. IBM에서는 POWER7 출시 이후 데이터 센터에 항온 항습 장치를 갖추지 않은 경우에 수랭 시스템을 장착할 것을 권장하고 있다. 이런 엄청난 발열 수준은 애플이 PowerPC에서 x86으로 이주한 이유이다.
또한 소비 전력량이 엄청난 만큼 발열도 엄청나다. POWER가 탑재된 소형 서버만 해도 비행기 소음 수준의 엄청난 냉각 소음이 발생하며, 서버의 규모가 커질 수록 더욱 커질 수 밖에 없다. 결국 POWER7에 이르러서 서버나 메인프레임에서는 신뢰성 문제로 그동안 사용하지 않던 수랭 시스템을 허용했다. 공랭 시스템의 고장 원인은 주로 팬이며 유지 보수가 비교적 쉽다. 그런데 수랭 시스템의 경우 고장이 나는 원인으로 팬을 비롯해, 펌프 고장, 관로 막힘 등 다양하며 누수라도 나면 치명적이다. 덕분에 수랭 시스템은 꼼꼼한 관리가 필요하다. IBM에서는 POWER7 출시 이후 데이터 센터에 항온 항습 장치를 갖추지 않은 경우에 수랭 시스템을 장착할 것을 권장하고 있다. 이런 엄청난 발열 수준은 애플이 PowerPC에서 x86으로 이주한 이유이다.
- 개인용 워크스테이션 제품 미비
POWER5 시리즈까지는 IBM IntelliStation이라는 워크스테이션 제품군이 있어 개인들도 POWER를 탑재한 제품을 사용할 수 있었지만, POWER6 시리즈로 넘어오면서 단종되었다. POWER 컴퓨팅에 기반한 워크스테이션을 사용하던 개인이나 각종 연구 기관들에서는 이 워크스테이션군이 단종된다고 하자 눈물을 흘렸다고. 그외에 가격도 무지막지하게 비쌌었다. 일반 서버 CPU보다 최소 3~4년은 앞설 정도로 높은 성능을 자랑하는 제품이기 때문에 수요가 있다. 실제로도 POWER를 탑재한 대형 서버나 메인프레임과 같은 제품은 장기적인 사용 계획을 갖고 도입하기 때문에 가성비보다는 성능과 안정성을 더 중시하는 경우도 있다. 일례로 금융 기관에서 도입하는 메인프레임은 한 번 들여놨다 하면 최소한 20년은 큰 문제 없이 작동해야 하기 때문에 단순히 가격 만을 따질 수 없다. 예를 들면 4.2GHz 2코어 POWER6을 420만원(...)에 살 수 있었다.
하지만 POWER8 시절부터 Raptor Computing Systems에서 Talos 워크스테이션을 출시했고, POWER9를 탑재한 Talos II까지 출시되었다. # 현재 Raptor사에서 다시 POWER 워크스테이션 제품을 판매하면서 CPU와 보드도 개별로 판매를 시작했는데, 같은 코어 수를 갖춘 인텔의 제온이나 코어-X 라인업 프로세서와 비슷한 가격 대에 살 수 있을 정도로 저렴해져서 비싸다는 말도 옛말이 되었다.
2020년 현재 Raptor사의 최신 라인업은 2018년 출시된 Talos II로, 최대 22코어 88스레드의 POWER9 Sforza CPU를 2개까지 장착할 수 있다. 완제품뿐만이 아니라 ATX 사이즈의 메인보드와 CPU도 따로 팔고 있어서 POWER 조립 워크스테이션을 맞추는 것도 가능하다. 조립 견적을 내면 2백만원 정도에서 시작하는데, 현재로써는 이것이 최신 POWER 아키텍처를 체험해 볼 수 있는 가장 저렴한 솔루션이다.
하지만 POWER8 시절부터 Raptor Computing Systems에서 Talos 워크스테이션을 출시했고, POWER9를 탑재한 Talos II까지 출시되었다. # 현재 Raptor사에서 다시 POWER 워크스테이션 제품을 판매하면서 CPU와 보드도 개별로 판매를 시작했는데, 같은 코어 수를 갖춘 인텔의 제온이나 코어-X 라인업 프로세서와 비슷한 가격 대에 살 수 있을 정도로 저렴해져서 비싸다는 말도 옛말이 되었다.
2020년 현재 Raptor사의 최신 라인업은 2018년 출시된 Talos II로, 최대 22코어 88스레드의 POWER9 Sforza CPU를 2개까지 장착할 수 있다. 완제품뿐만이 아니라 ATX 사이즈의 메인보드와 CPU도 따로 팔고 있어서 POWER 조립 워크스테이션을 맞추는 것도 가능하다. 조립 견적을 내면 2백만원 정도에서 시작하는데, 현재로써는 이것이 최신 POWER 아키텍처를 체험해 볼 수 있는 가장 저렴한 솔루션이다.
[1] 그나마 POWER에 비견할 수 있는 제품군으로 SPARC이 있었으나, 이 제품을 원래 만들던 썬마이크로시스템즈을 오라클이 인수합병하면서 명맥이 끊겼다.[2] AMD의 스레드리퍼와 에픽 역시 같은 방식으로 발열을 해소하고 있다.