알테라 Stratix 10 아키텍처 및 기술 발표 기자간담회

알테라(Altera)는 지난 5월 29일 서울 강남구 파크하얏트 호텔에서 기자간담회를 열고, 6월 9일 전세계적으로 발표되는 자사의 차세대하이엔드 프로그래머블 로직 디바이스 제품군인 Stratix 10 FPGA 및 SoC에 적용되는 아키텍처 및 기술적 세부사항들에 대해 소개했다.

최대 550만 LE를 제공하는 Stratix 10 FPGA 및 SoC는 인텔의 14nm 트라이게이트 공정을 기반으로 알테라의 하이퍼플렉스(HyperFiex) FPGA 패브릭 아키텍처를 적용해 이전 세대 FPGA 들에 비해 두 배 높은 코어 성능을 제공할 수 있다. 또한 업계에서 가장 높은 성능과 밀도, 첨단 임베디드 프로세싱, GPU급 부동소수점 연산 성능, 이종적 3D SiP 집적을 결합해 차세대 통신, 데이터센터, IoT 인프라, 방위, 고성능 컴퓨팅 시스템의 까다로운 요구를 충족시킬 수 있도록 한다.

Stratix 10 제품군은 64비트 ARM 쿼드코어 Cortex-A53 하드 프로세서 시스템을 통합하고, 시스템 메모리 관리 유닛, 외부 메모리 컨트롤러, 고속 통신 인터페이스 등의 풍부한 주변장치 기능 셋을 제공한다. 또한 인텔의 EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge) 기술을 통해 고속 직렬 트랜시버 및 프로토콜 타일과 모도리딕 코어 로직을 통합해, 변화하는 시장 요구에 신속하게 대응할 수 있게 되었다고 소개했다.

▲ 패트릭 도시 알테라 제품 마케팅 선임 이사

알테라의 Stratix 10 FPGA 및 SoC에 대한 소개는 알테라의 제품 마케팅 선임 이사 패트릭 도시(Patrick Dorsey) 가 진행했다. 그는 먼저, 알테라의 10세대 포트폴리오는 크게 세 가지 제품군으로 구성되며, 이 중 Max 10, Arria 10은 각각 TSMC의 55nm, 20nm 공정을 기반으로 시장에 공급되고 있다고 소개했다. 또한 Stratix 10은 인텔의 14nm 트라이게이트 공정을 기반으로 만들어지며, 알테라는 TSMC와 인텔 양쪽에 파트너십을 가지고 제품을 공급하고 있다고 덧붙였다.

Stratix 10은 인텔의 14nm 트라이게이트 공정과 하이퍼플렉스 FPGA 패브릭 아키텍처를 적용해, 이전 세대 FPGA 대비 2배 높은 코어 성능을 제공한다. 또한 ARM Cortex-A53 쿼드 코어 프로세서의 통합과 이종적 3D SiP 집적을 결합했다. 최대 550만 로직 엘리먼트(LE)와 함께 최대 10TFLOPS의 성능을 구현할 수 있고, 이전 대비 70%까지 낮은 전력 소비량을 구현할 수 있으며, SDM(Secure Devuce Manager) 도입으로 포괄적인 고성능 FPGA 보안 기능을 제공한다.

알테라의 하이퍼플렉스 아키텍처는 FPGA 전체의 동작 지연 시간 중 가장 큰 부분을 차지하는 ‘라우팅(Routing)’을 크게 줄여 동작 속도를 끌어올린 것이 특징이다. 하이퍼플렉스 아키텍처는 모든 코어 인터커넥트 배선 구역으로 레지스터를 배치, 레지스터 리타이밍, 파이프라이닝, 기타 설계 최적화 기법들을 비롯한 검증된 성능 향상 설계 기법들을 활용하는 것을 가능하게 했다.

▲ 하이퍼플렉스 아키텍처를 통한 성능향상 방법은 간단하지만 효과가 크다.

FPGA의 코어 성능은 전체 경로 중 가장 긴 딜레이가 나오는 구간에서 제약을 받게 된다. 예를 들면, 특정 기능간 경로 중 가장 긴 딜레이가 3.5ns이면, 전체 시스템 동작 속도는 286MHz로 제약받게 된다. 하지만 이를 경로 상에 배치된 레지스터를 활용해 구간을 나눌 수 있다면, 딜레이를 줄이고 쉽게 동작 속도를 끌어올릴 수 있다. 같은 애플리케이션에서 몇 개의 레지스터를 경로에 배치하면 구간당 최대 지연 시간은 1.2ns로, 동작 속도는 833MHz를 구현할 수 있게 되는 것이다.

하이퍼플렉스 아키텍처는 디자이너들이 주요 경로 및 배선 상의 지연시간을 제거하고 자신의 디자인으로 빠르게 타이밍 종결을 달성할 수 있게 한다. 또한 두 배 높은 코어 로직 성능을 달성해, 경쟁 아키텍처에서는 필요로 하는 넓은 데이터 경로와 스큐를 유발시키는 그 밖의 구조물들을 필요로 하지 않음으로써 디바이스 활용도와 전력 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 소개했다.

하이퍼플렉스 아키텍처를 이용한 고객들의 성과로는, 광전송, 무선 인프라 측면에서는 이전 세대 대비 두 배의 동작 속도 향상을, 데이터센터 가속에는 2.9배의 향상을, 신호 프로세싱은 2.5배의 성능 향상 성과를 거두었다고 소개되었다. 또한 동작 속도가 올라가면서 같은 대역폭을 더 좁은 버스 폭으로 구현할 수 있고, 필요한 로직 면적을 줄일 수 있어 전력 소비량 측면도 줄일 수 있는데, 엔터프라이즈 스토리지 애플리케이션에서는 이전 세대 대비 70%에 달하는 절감이 가능했다.

아키텍처 변화를 통한 동작 속도 향상, 로직 면적 절감 등은 데이터센터나 광전송 애플리케이션에서 큰 절감 효과를 제공한다. 이전 세대 Stratix V 5개로 구현해야 했던 기능은 Stratix 10 한 개로 통합할 수 있으며, 이 때 전력 소비량은 120W에서 44W로 줄어들어 63%의 소비 전력 절감을 기대할 수 있다. 광전송 스위치의 경우 같은 성능과 기능을 더 적은 면적으로 구현 가능하며, 두 배 높은 동작 속도를 기반으로 더 좁은 버스를 이용해 면적 30% 감소, 전력 소비 40% 감소 등이 가능하다.

▲ 이종적 3D SiP 집적 기술로 기능 조합의 유연성을 극대화했다.

Stratix 10 FPGA 및 SoC 제품군의 모든 제품은 이종적 3D SiP 집적 기술을 이용해 고밀도 모노리딕 FPGA 코어 패브릭과 여타 첨단 소자들을 효율적이고 경제적으로 통합하고 있다. 알테라의 이종적 SiP 결합은 인텔의 EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge) 기술을 활용하며, 인터포저 기반 기법 대비 더 높은 성능을 달성하고, 복잡성을 줄이고, 비용을 낮추고, 향상된 신호 무결성을 달성한다.

Stratix 10 제품군은 EMIB 기술을 이용해 고속 직렬 트랜시버 및 프로토콜 타일과 모노리딕 코어 로직을 통합하며, 다양한 속도의 트랜시버 지원 요구나 새로운 하드 IP 구현에 있어 새로운 프로토콜 지원 등 변화하는 시장 요구에 따라 다양한 유형의 디바이스 제품 버전을 빠르게 제공할 수 있는 유연성, 확장성을 확보할 수 있게 되었다. 또한 최대 144개 트랜시버를 통합함으로써 이전 세대 제품들에 비해 4배의 직렬 대역폭을 제공 가능하다.

보안 기능 측면에서는 SDM(Secure Design Manager)을 통해 섹터기반 인증과 암호화, 멀티팩터 인증, PUF(Physically unclonable function) 등의 보안 기능을 제공하며, 사용자 정의 가능한 멀티레이어 보안 옵션을 제공한다. 또한 알테라는 파트너사들과 협력을 통해 Stratix 10 FPGA, SoC에서 암호화 가속화 및 PUF IP를 제공하며, 이와 같은 높은 수준의 보안 기능을 달성함으로써 방위, 클라우드, IoT 인프라 등의 애플리케이션에 이용하기에 적합한 솔루션을 제공한다고 소개했다.

▲ Stratix 10 SoC는 인텔의 공정에서 ARM Cortex-A53을 통합하는 것이 특징.

Stratix 10 SoC는 최대 1.5GHz 동작 가능한 64비트 쿼드 코어 구성의 ARM Cortex-A53 하드 프로세서 시스템(HPS)을 통합하고, 이와 함께 시스템 메모리 관리 유닛, 외부 메모리 컨트롤러, 고속 통신 인터페이스 등의 풍부한 주변장치 기능 셋을 제공한다. 소프트웨어 측면에서는 이전 세대 알테라 SoC 에서 쓰던 소프트웨어의 마이그레이션을 지원한다. 이와 함께 하드 부동소수점 DSP를 통합해 최대 10TFLOPS의 단정도 연산도 제공 가능하다고 덧붙였다.

개발 환경 측면에서는 Quartus II 소프트웨어에 도입된 새로운 Spectra-Q 엔진을 통해 하이퍼플렉스 아키텍처가 제공하는 성능, 전력, 면적 절약의 이점을 극대화하고 디자이너의 설계 생산성을 향상시킬 수 있다고 소개했다. Quartus 2 소프트웨어는 최대 8배의 컴파일 시간 단축, 다양한 방식의 신속하게 추적 가능한 설계 입력, 드롭인 IP 통합, OpenCL 지원, 고수준 설계 플로우 등의 새로운 기능을 추가해 신속하게 최적화된 제품을 설계하고 제품 출시 시간을 단축할 수 있게 한다.

한편 알테라의 Stratix 10 FPGA 및 SoC는 엔피리온(Enpirion) PowerSoC 전원 솔루션과 함께 구성, 작은 풋프린트에서 높은 효율을 달성하고 엄격한 성능 및 전원 상의 효율을 달성할 수 있다. 특히 엔피리온의 EM1130 PowerSoC는 Stratix 10 FPGA 및 SoC와 함께 사용할 경우 SmartVID 기능을 이용할 수 있어, FPGA 및 SoC에 최적화된 전압을 공급함으로써 지정된 디바이스 속도 등급에 요구되는 성능을 유지하면서 전력 소비를 최적화한다.