A17 칩 프리뷰 : 애플 최초의 3nm 칩, 아이폰 15를 어떻게 바꿀까

매년 가을 애플은 새로운 A 시리즈 프로세서에 탑재해 아이폰을 업그레이드한다. 특별한 것을 기대하는 것은 아니지만, TSMC의 새로운 3nm 제조 공정이 A17 칩에 몇 년만에 가장 확실한 성능과 기능 도약을 가져다줄 것은 확실하다.

애플이 자체적으로 설계하는 A 시리즈 칩의 지난 몇 년을 되돌아보면, 그리고 새로운 공정 기술이 애플에게 주는 지금까지 알려진 방향과 목표를 살펴보면, A17이 어떤 모습일지 어느 정도 또렷한 윤곽이 잡힐 것 같다.
 

아이폰 15프로 또는 울트라에 대해

지난해 A16 칩은 아이폰 14 프로에만 탑재됐다. 일반 아이폰 14는 A15 칩을 썼다. 올해에도 이 패턴은 반복될 것으로 보인다. 최신인 A17 칩은 아이폰 15 프로, 아이폰 15 프로 맥스(또는 루머대로라면 아이폰 15 울트라로 명명될 수도 있다)에만 탑재되고 일반 아이폰 15는 아이폰 14 프로 모델에 쓰인 A16칩을 탑재하는 것이다.

앞으로도 이 패턴이 계속될까? 스마트폰 기능과 품질이 정체되고 애플 스마트폰 칩과 안드로이드 칩이 비슷해지는 상황에서는 굳이 무리해 변화할 필요가 없다. 애플에 있어서는 비용 절감도 되고, 일반 모델과 프로 모델의 차이 강조를 통해 사용자가 더 비싼 제품을 구입할 유인을 만들 수도 있다.
 

애플 최초의 3nm 칩

A14, 15, 16칩은 모두 TSMC의 5nm 공정으로 만들어졌다. 물론 시간이 지나면서 발전해 더욱 밀도가 높고 전력 효율이 개선된 칩이 만들어졌지만 다음 공정 노드로 도약하지는 않았다. TSMC가 3nm 공정을 채택하면서 최초로 대규모로 양산하는 칩인 A17은 새로운 공정이라는 이점을 얻을 것이 거의 확실하다.

3nm로 애플이 누릴 이점은 길게 말할 수 있다. A16의 트랜지스터가 약 160억 개라면 A17은 200억 개 이상, 아마도 240억 개까지 늘어날 것이다.

3nm 공정도 전력 효율성이 크게 향상되겠지만, 애플은 비슷한 속도로 비슷한 칩을 만들지는 않을 것이다. 최대 전력 소비량은 배터리 크기, 열 분산 기술 등의 다양한 요소라는 한계를 받으므로 3nm 공정으로 업그레이드되었다는 것만으로 배터리 수명이 크게 늘어날 것 같지는 않다. 적어도 전체 전력에서 능동적으로 사용하는 것은 아니다. 이 시나리오대로라면 칩의 전력 소비량은 거의 같고, 디스플레이와 무선 주파도 전력을 소비하는 요인이 된다.

아마도 약간의 개선이 이루어진다면 대기 모드가 될 것이고, 3nm 공정으로 만들어지면서 대기 모드 전력 소비량이 크게 개선될 것이다.
 

CPU 성능과 기능 개선

2021년 ARM은 v9 아키텍처를 출시했다. 당시에는 A16 칩이 새로운 v9 명령어세트를 지원하는 첫번째 애플 칩일 것이라고 예측했다. 그러나 애플은 자체 확장 기능이 많은 ARM v8.6을 지원한다. 올해 출시될 아이폰 15는 트랜지스터가 늘어나면서 ARM v9를 지원할 것으로 보인다.

ARM v9 명령어 세트와 아키텍처의 이점은 무엇일까? 애플은 자체 CPU 코어를 설계하고 v9 아키텍처가 약속하는 성능적 이점은 애플 설계와 ARM 확장에서 이미 실현되었다. 실제로 스냅드래곤 8 1세대는 ARM v9를 지원하는 ARM의 코텍스-X2 코어를 탑재한 최초의 고급 스마트폰 CPU였지만, 애플 A15칩의 성능은 스냅드래곤 8 1세대를 뛰어넘었다.

ARM v9가 ARM v8보다 성능을 30% 향상했다는 주장이 많다. 그러나 이 경우는 ARM 자체 코어 설계일 때의 이야기이고 사용자 지정 확장은 고려하지 않은 주장이다. 애플은 완전히 다른 운동장에 있다. 아마도 A17의 CPU 성능이 30%나 개선되지는 않을 것이다.

A17에 쓰일 CPU 코어의 속도가 빨라질 것은 거의 확실하다. 그러나 ARM v9 때문만은 아니다. CPU 코어 성능은 명령어 세트, 분기 예측, 명령어 해독, 실행 단위, 캐시 구조와 크기, 클럭 속도 등의 수많은 요소에 영향을 받는다.

일반적인 코어 수를 보자면 A11 바이오닉 이후 계속된 효율 코어 4개, 성능 코어 2개 구성을 넘어설 이유가 많지 않다. 아마도 이 구성의 성능은 15%가량 개선될 것이다.
 

지난 몇 년간의 CPU 성능 향상 폭을 바탕으로 예상해 보면 긱벤치 5 단일 코어 점수는 2,100~2,200 사이, 멀티 코어 점수는 6,000 초반일 것으로 보인다. 긱벤치 6이 출시된 지 얼마되지 않아 예측을 정확하게 할 수 있는 누적된 다년간의 벤치마크 데이터는 없지만, 단일 코어 점수는 2,800 이상, 멀티 코어 점수는 7,300 이상이 적절하다. 최근 싱글 코어 점수 3,019점, 멀티 코어 점수 7,860점이라고 주장하는 유출 정보가 있었는데 가능성이 없지는 않다. 애플이 A14 칩 때 7nm 공정에서 5nm로 공정을 업그레이드한 당시에도 코어 점수가 예상보다 높았다. 그러나 이 주장에서 말하는 점수는 완전히 근거가 없다.
 

다른 프로세서와 비교해보면 A17의 예상 싱글 코어 점수는 라이젠 최신 하이엔드 데스크톱 CPU와 13세대 코어 i7 인텔 프로세서와 비슷하고, 멀티 코어 점수는 훨씬 낮다. 데스크톱 프로세서의 고성능 코어는 12개 이상이지만 A17의 고성능 코어는 단 2개이므로 당연하다. A16 칩은 이미 최상위 스냅드래곤 8 2세대를 탑재한 안드로이드 스마트폰보다 성능이 높고, A17칩으로 격차를 더 벌어질 것 같다.

지난 몇 년 동안의 교훈이 있다면 애플 CPU 성능 개선이 매우 꾸준히 이루어지고 있다는 것이다. 아키텍처가 크게 변화하거나 제조 공정이 비약적으로 업그레이드되는 해에 싱글 코어와 멀티 코어 성능은 거의 직선에 가깝게 개선된다. 올해에도 비슷한 폭의 개선을 기대하는 것이 합리적인 추측이다.