수박 겉 핥기로 알아보는 '모바일 프로세서' 이야기

컴퓨터에 CPU가 필수품이듯 스마트폰에도 연산을 위한 프로세서가 필요하다. 일반적으로 컴퓨터와 구분 없이 CPU라고 부르기도 하고, AP(Application Processor)라고 부르기도 한다. 최근에는 연산장치와 GPU, 통신용 모뎀 등이 하나의 칩으로 제조되면서 SoC(System-ona-Chip)로 불리는 경우도 많다. 대표적인 SoC로는 모바일 시장에서 과반의 시장을 차지하고 있는 퀄컴의 스냅드래곤과 삼성전자가 독자 개발한 엑시노스, 엔비디아의 테그라, 그리고 애플의 A칩 등이 있다. 사실 SoC 관련 내용들은 기술적인 부분이 너무 많아서 깊이 있게 다루기가 힘들다. 그래서 이번 코너에서는 간단히 이런 프로세서들이 있다는 것만 짚어보고 넘어가도록 하겠다.

 

 

 

 

프로세서의 기능은 데이터를 입력 받아 연산해 다시 내보는 것이 전부다. 그러나 이런 간단한 동작을 보다 효율적으로 수행하기 위해 다양한 설계 방식이 고안되고 있는데, 이를 보통 아키텍처라고 한다. PC 시장에서 사용되는 CPU들은 흔히 IBM 호환 PC라고 부르는 x86 아키텍처를 기반으로 설계된 제품들이다. 모바일용 프로세서 역시 이러한 아키텍처가 필요하며, 지금 우리가 이 순간에도 손에 쥐고 있을 거의 대부분의 스마트폰은 ARM에서 개발한 Cortex 아키텍처를 사용하고 있다.

 

ARM은 영국에 본사를 둔 반도체 전문 기업으로 1990년 아콘컴퓨터, 애플, VLSI테크놀로지의 조인트 벤처로 설립됐다. 본래는 1985년 PC용 RISC(주1) CPU를 개발한 캠브리지 대학의 연구진에 의해 설립된 아콘컴퓨터(Acorn Computer Group)에서 RISC CPU 상용화를 위해 세운 벤처기업 ARM(Acorn RISC Machine)이 모태가 된다. 애플은 1993년 최초의 PDA인 ‘뉴턴 메시지 패드’를 출시했는데, 여기에 사용될 저전력 CPU 개발을 위해 1990년 VLSI테크놀로지와 함께 조인트 벤처 형태로 ARM에 참여한다. 이때 ARM의 회사명도 Advanced RISC Machines Ltd.로 변경됐다. 이후 1998년 기업 공개를 하면서 ARM 홀딩스로 회사 이름을 다시 한 번 바꿨다.

 

그러나 애플의 뉴턴 PDA가 실패하고 PC 시장이 IBM 호환 PC의 데스크톱을 중심으로 성장해 가면서 ARM은 한 동안 업계의 주류에서 밀려나 있었다. 그러다 2000년대에 들어 모바일 전자기기 시장이 폭발적으로 성장하면서 ARM이 다시 주목받기 시작했다. ARM CPU가 주목을 받은 이유는 단순하다. 저전력에서도 고효율의 퍼포먼스를 낼 수 있었기 때문이다. 휴대용 전자기기의 경우 배터리 사용 시간은 제품을 선택하는 데 있어 매우 중요한 요소 중 하나가 되는데, 이 분야에서 ARM이 뛰어난 효율을 보여줬던 것이다. 특히 2000년대 중후반 등장한 스마트폰은 ARM에게 날개를 달아주는 결정적 계기가 됐다. ARM은 직접 CPU를 제조하지 않고, 아키텍처만 개발해 라이선스를 판매하고 있다. 그리고 현재 대부분의 모바일 기기 제조사들에서 이 라이선스를 사용한 제품을 탑재하고 있다. 대표적인 예로 퀄컴의 스냅드래곤, 삼성전자의 엑시노스, 엔비디아의 테그라, 애플의 A 시리즈 등이 있으며, 심지어 인텔도 한 때 ARM 아키텍처 CPU를 개발한 적이 있다.

 

지금은 관련 사업부를 매각해서 ARM과 관련된 개발은 하지 않고 있다. 스마트폰 시장을 겉으로 보면 애플이니 삼성이니, 중국제 스마트폰이니 하면서 각 제조사들의 각축장으로 보이지만, 실질적으로 그 이면에서는 이미 ARM이 지배하고 있다고 봐도 과언이 아닌 셈이다.

 

 

 

 

 

퀄컴은 우리에게 친숙한 회사다. 국내에서 휴대전화를 사용하면서 ‘Qualcomm’ 로고가 찍힌 스티커를 한 번도 못 본 사람은 없을 것이다. 퀄컴은 미국에 본사를 둔 무선통신 연구개발 기업으로 우리나라가 통신 표준으로 채택한 CDMA를 개발하고 관련 라이선스로 막대한 수익을 올렸다. 피처폰 시대에는 통신 기술 개발과 이를 기반으로 한 모뎀 제조를 주로 해오던 퀄컴이 스마트폰 시대를 맞이하면서 본격적으로 모바일용 SoC 시장에 뛰어 들었다. ARM 아키텍처 기반의 AP를 직접 제조하기 시작했는데, 그때까지 쌓아온 통신 기술이 여기에서 빛을 발하기 시작한다.

 

퀄컴은 3G 이동통신 때부터 고비(Gobi)라는 자체 개발 통신 모뎀을 휴대전화 제조사들에 공급해 왔는데, 스냅드래곤은 처음부터 이 고비 모뎀이 내장된 SoC로 개발됐다. 비슷한 시기에 출시된 경쟁사들의 AP는 모뎀을 내장하지 못해 별도로 탑재해야 하는 구조였기 때문에 제품 설계와 전력 효율 면에서 스냅드래곤이 우위를 안고 출발했다. 이런 차이는 LTE 서비스가 상용화되면서 더욱 두드러졌는데, 퀄컴은 가장 먼저 3G와 LTE를 동시에 지원하는 통합 모뎀을 개발해 경쟁사들을 압도했다.

 

퀄컴은 통합 모뎀을 스냅드래곤에 탑재해 판매하기도 하고, 별도로 모뎀만을 판매하기도 했는데, 문제는 스냅드래곤을 구입하지 않는 제조사에게는 모뎀을 판매하지 않는 정책을 사용했다는 것이다. 결국 제조사들은 어쩔 수 없이 퀄컴의 스냅드래곤을 선택할 수밖에 없었다. 이런 전략 덕분에 스냅드래곤은 스냅드레기(스냅드래곤+쓰레기의 합성어)의 악명을 떨치면서도 실제 판매량은 업계 최고 수준을 기록하는 상반된 결과를 내기도 했다.

 

 

 

스냅드래곤의 초기 라인업은 S 넘버를 사용했다. S1부터 S4까지 출시됐는데, 2008년 첫 선을 보인 스냅드래곤S1은 모바일 AP 중 처음으로 클럭 속도 1GHz를 넘는 제품이었다. 당시로선 상당히 뛰어난 퍼포먼스를 보여주면서 기대를 모았지만, 엑시노스, OMAP 등의 경쟁 제품들이 등장하면서 서서히 뒤처지기 시작했다. S1부터 S3까지는 ARM 아키텍처를 커스텀한 스콜피온 코어가 사용됐는데, 이 스콜피온 코어는 캐시메모리가 적다는 약점을 갖고 있었다. 이로 인해 동급의 경쟁제품과 비교해 만족할만한 퍼포먼스가 나오지 않았던 것이다.

 

국내에서는 당시 모바일 AP 중 최고의 성능을 자랑했던 삼성전자의 엑시노스와 자주 비교되면서 스냅드레기라는 별명으로 불리는 굴욕을 당하기도 했다. 더욱이 스냅드래곤S3는 부족한 성능을 커버하기 위해 무리하게 클럭 수를 올리는 바람에 발열과 전력 효율에서 최악의 평가를 받으며 스냅드레기의 절정을 찍었다. 이런 비난은 국내 한정이 아니었고, 외국에서는 Crapdragon이라고 조롱받았다.

 

스냅드래곤S4에서는 스콜피온 코어를 버리고 크레이트라는 새로운 코어를 선보였지만, 그 동안의 나쁜 인식 덕분에 소비자들의 반응은 썩 좋지 못했다. 실제로 제품의 성능도 퀄컴이 주장한 수준에는 미치지 못하기도 했다. 그렇다고는 해도 사용하기에는 나쁘지 않은 성능을 보여주었고, 무엇보다 별도의 통신 모뎀 없이 원칩으로 모든 것을 해결할 수 있다는 점이 강점으로 작용해 무지막지하게 팔려나갔다.

 

스냅드래곤은 S4 이후 버전부터 모델명이 숫자 표기로 바뀌었는데, 가장 최근의 라인업은 800대로 여전히 시장을 지배하고 있다. 시장 조사 기관에 따르면 2013년 기준 퀄컴의 모바일 AP 시장 점유율은 무려 54%에 달한다고 하니, 시장을 좌지우지 하고 있다고 봐도 과언이 아닐 것이다.

 

 

번외편: 아드레노(Adreno)
아드레노는 스냅드래곤에 탑재되는 GPU로 본래 ATI에서 개발한 모바일 그래픽 칩셋이었다. ATI가 AMD에 인수된 이후 2008년에 퀄컴이 모바일 관련 사업부만 따로 인수해 스냅드래곤의 GPU로 활용하고 있다. 참고로 아드레노라는 이름은 ATI그래픽 칩셋의 브랜드명인 라데온(Radeon)의 철자 배열을 살짝 바꾼 것이다.

 

 

 

 

요즘 이런 소리를 하면 이상하게 보이겠지만, 오래전부터 애플과 협력 관계를 구축해 왔던 삼성전자는 아이폰 출시를 앞두고 애플과 공동으로 모바일AP를 개발한다. 2007년 개발된 첫 번째 AP S5L8900은 아이폰(1세대)과 아이폰3G(2세대), 아이팟터치 1세대와 2세대에 사용됐다. 아키텍처는 Cortex 이전 버전인 ARM11을 사용했다.

 

2009년에는 ARM Cortex-A8 아키텍처를 사용한 S5PC100을 개발해 아이폰3GS에 탑재했고, 2010년 이 AP를 개선한 S5PC110과 111에 ‘허밍버드’라는 코드네임을 붙여 갤럭시S 시리즈에 탑재하기 시작했다. 그리고 2011년 삼성전자는 MWC2011에서 갤럭시S2와 여기에 탑재될 새로운 AP를 공개했는데, 이때 처음으로 엑시노스라는 이름을 발표했다. 이와 함께 기존에 출시된 허밍버드도 엑시노스3 시리즈로 이름을 바꿔 엑시노스 라인업에 편입됐고, 이후 엑시노스는 삼성전자의 스마트폰 기술력을 대표하는 상징으로 자리 잡았다.

 

삼성전자가 엑시노스 브랜드를 발표하고, 이에 대한 투자를 확대하면서 애플도 그 동안 삼성전자에 의존했던 AP를 직접 설계하는 방향으로 전략을 바꿨다. 물론 이후에도 제품 생산은 삼성전자에서 담당했지만, AP의 설계는 점차 애플이 주도적으로 해 나가면서 엑시노스와는 다른 방향으로 발전해 나갔다.

 

 

 

삼성전자는 갤럭시S의 성공을 기점으로 스마트폰 시장에서 서서히 점유율을 높여가고 있었다. 갤럭시S의 경우 삼성전자가 절치부심하며 만든 제품인 만큼 하드웨어적인 완성도가 상당히 높았는데, 이로 인해 후 계기에 대한 기대감도 매우 높아진 상황이었다. 그리고 마침내 등장한 갤럭시S2는 이러한 기대를 120% 충족시키며 삼성전자의 화려한 부활을 알리는 신호탄이 됐다.

 

갤럭시S2는 하드웨어적으로 당시의 경쟁제품을 압도하는 위력을 과시했는데, 이는 삼성전자가 자체 개발한 엑시노스4210의 강력한 성능 덕분이었다. ARM Cortex-A9 아키텍처 기반의 듀얼코어 프로세서는 뛰어난 하드웨어 최적화와 맞물려 최상의 퍼포먼스를 보여줬고, 여기에 ARM의 그래픽 코어 말리(Mali)-400의 막강한 그래픽 성능이 더해지면서 엑시노스4 시리즈는 2011년 말까지 최강의 모바일AP로 군림할 수 있었다.

 

2012년에 출시된 갤럭시S3에도 성능을 끌어 올린 쿼드코어 엑시노스 4421이 탑재되면서 엑시노스4 시리즈는 2011년에 이어 2012년까지 현역으로 활약했다. 코어 숫자가 2개에서 4개로 증가했고, 클럭 수도 끌어올려 같은 4시리즈라 해도 4210에 비해 약 2배의 성능향상이 이루어졌다고 한다. 그러면서 전력 소모는 20% 줄였다.

 

 

 

삼성전자는 엑시노스5를 통해 ARM의 새로운 아키텍처 Cortex-A15를 가장 먼저 선보였고, 이와 함께 전력 효율을 개선한 big.LITTLE 솔루션도 가장 먼저 적용했다. 다시 한 번 경쟁사들보다 한 발 앞서 나가는 듯 보였다. 그러나 기술의 발전 속도가 빨라지면서 경쟁 제품들과의 격차는 갈수록 줄어들었고, 한 때 세계 최강의 모바일 AP로 이름 날렸던 엑시노스도 더 이상 과거의 위상을 보여주지 못하고 있다. 최근 삼성전자 스마트폰의 경쟁력이 예전만 못한 것이 이런 현상과 완전히 무관하다고 할 수만은 없을 것이다.

 

한편, 삼성전자는 갤럭시노트4 출시에 맞춰 엑시노스7을 정식으로 공개했다. 대략적인 사양은 ARM의 64비트 지원 아키텍처 Cortex-A57을 메인으로 사용하고, big.LITTLE 솔루션을 활용하기 위해 Cortex-A53을 함께 사용하는 것으로 알려져 있다.

 

 

 

애플은 아이폰을 처음 출시할 당시에만 해도 돈독한 파트너였던 삼성전자와 함께 AP를 설계하고, 삼성전자를 통해 제품을 제조해 왔었다. 아이폰3GS까지는 엑시노스3 시리즈로 이름이 바뀐 허밍버드가 탑재됐는데, 삼성전자가 스마트폰 시장에서 점차 두각을 나타내면서 슬슬 거리를 두게 된다.

 

 

애플은 아이폰4를 출시하면서 A4라는 새로운 AP를 공개했지만, 내부 설계 자체는 삼성전자의 허밍버드와 거의 비슷했다. 후속 모델인 A5 역시 삼성전자와 공동으로 개발을 진행하기는 했는데, 이때부터 점차 애플의 영향력이 강해지면서 A 시리즈만의 특성을 띄기 시작한다. 애플은 그래픽 퍼포먼스에 집중하는 모습을 보여 왔는데, 애플의 뛰어난 최적화 설계와 맞물려 항상 동 세대의 경쟁 제품들을 압도하는 그래픽 성능을 자랑하고 있다.

 

레티나 디스플레이가 적용된 아이패드 3세대에는 A5에서 그래픽 성능을 강화한 파생 모델 A5X가 탑재되기도 했지만, 그럼에도 불구하고 무식하게 커진 해상도를 감당하기엔 역부족이었다. 이 때문에 아이패드 3세대는 애플 제품군 중 이례적으로 6개월 만에 단종된 비운의 제품으로 남게 됐다.

 

얼마 전 출시된 아이폰6와 6플러스에는 애플의 최신 AP인 A8이 탑재돼 있다. 애플은 A7으로 세계에서 처음으로 64비트 모바일 AP를 개발한 바 있는데, 이번 A8은 세계 최초로 20nm 공정에서 생산된 제품이 됐다. 또, A8을 기점으로 메인 제조사가 삼성전자에서 TSMC로 옮겨갔다.

 

 

 

PC용 그래픽 칩셋으로 유명한 엔비디아도 모바일 AP 시장을 호시탐탐 노리고 있다. 아키텍처는 역시 ARM Cortex를 사용하고 있다. 테그라는 ARM아키텍처에 엔비디아가 자랑하는 강력한 저전력 GPU를 조합한 SoC로 모뎀은 포함하지 않고 있다. 이 때문에 스냅드래곤처럼 완벽한 원칩 솔루션은 불가능하고, 모뎀 칩셋과 함께 탑재돼야 한다.

 

 

엔비디아에서 내놓은 칩셋인 만큼 GPU 성능이 뛰어난 것은 분명한 사실이긴 한데, 문제는 모바일게임과의 호환성이 최악이다. 과거의 테그라 시리즈에서는 딱히 고사양이 아닌 게임들이 제대로 구동되지 않는 문제가 다수 보고된 바 있다. 또한, 지난 세대의 GPU 아키텍처를 재활용하면서 최신 기술을 지원하지 못하는 문제가 발생하기도 했었고, 여러모로 문제점들이 많아 시장에서는 처참한 성적을 기록하고 있다.

 

다행히 올 초에 발표한 최신 버전인 테그라K1에서는 지금까지 지적받았던 수많은 문제점들이 대부분 해결된 것으로 알려졌다. 현재 K1은 통신 모뎀이 없어도 되는 태블릿PC에서 주로 사용되고 있으며, 얼마 전 발표한 구글의 레퍼런스 태블릿 넥서스9에는 처음으로 64비트의 테그라K1이 탑재되는 것으로 알려졌다.

 

 

smartPC사랑 | 석주원 기자 juwon@ilovepc.charislaurencreative.com