CPU 코어 분신술 '하이퍼스레딩' 20년만에 버린 인텔

[인텔 테크투어] 전력 소모·보안 등 문제 대두..."하이브리드 구조+코어 늘려 대체"

[타이베이(대만)=권봉석 기자] 지난 해 12월 출시된 코어 울트라 시리즈1(메테오레이크) 중 하나인 코어 울트라5 125H 프로세서는 고성능 P(퍼포먼스) 코어 4개, E(에피션트) 코어 8개 등 총 12개 코어를 내장했다.

그러나 동시 실행 가능 작업 단위를 나타내는 '스레드'(Thread)는 총 18개로 코어 수와 1:1로 일치하지 않는다. '4+8=12'라는 단순한 수식이 성립하지 않는다. 이런 현상은 AMD 라이젠 프로세서에서도 나타난다.

인텔 코어 울트라 프로세서. (사진=인텔)

이런 현상이 벌어지는 이유는 매우 단순하다. P코어 한 개를 마치 두 개처럼 쓰는 기술인 'SMT'(동시 멀티스레딩) 때문이다. AMD는 'SMT'라는 명칭을 그대로 쓰는 반면 인텔은 이 기술에 '하이퍼스레딩'(Hyperthreading)이라는 이름을 붙였다.

'코어 한 개를 마치 두 개처럼 쓰는 기술'. 쉽게 이해가 가지 않는다. 그러나 프로세서 작동 구조를 살펴보면 마냥 불가능한 일은 아니다.

■ 메모리·SSD에서 데이터 가져올 때 지연시간 발생

프로세서 내 코어의 연산은 ① SSD나 메모리, 캐시(임시 메모리)에 저장된 데이터나 명령어 가져오기(Fetch)-② 해석(Decode)-③ 실행(execute) 등 3단계를 전원이 꺼질 때까지 반복하며 실행된다.

Fetch-Decode-execute 사이클. (사진=GCSE)

문제는 프로세서 내 임시 저장공간(Cache)에 원하는 데이터가 없을 때 발생한다. '가져오기' 단계를 실행한 후 필요한 데이터가 전달될 때까지 기다려야 하는 것이다. 하지만 이 시간동안 귀중한 코어를 마냥 놀려두는 것은 아쉬운 일이다.

분식집에서 김밥을 만드는 과정을 생각해 보자. 참치김밥을 먼저 주문받았는데 참치가 떨어졌다면 어떻게 해야 하나. 참치를 보충할 때까지 김을 굽고, 두 번째 주문받은 야채김밥을 만들기 위해 야채를 손질해 두는 등 다른 김밥을 만들 준비를 할 수 있다.

■ 코어 수 최대한 늘리기 위해 등장한 '하이퍼스레딩'

이처럼 코어를 놀려두지 않고 계속 일을 시켜 어떻게든 작동 속도를 끌어올리기 위한 기술이 하이퍼스레딩(SMT)이다. 단 하이퍼스레딩의 성능 향상 폭은 최대 30% 정도에 그치는 것으로 알려져 있다.

하이퍼스레딩 기능을 처음 탑재한 펜티엄4 HT 프로세서. (사진=지디넷코리아)

인텔은 2002년 11월 출시된 '펜티엄4 HT' 프로세서에 처음 탑재됐다. 하이퍼스레딩이 일반 소비자용 프로세서로 내려와 보편화된 2003년 하반기부터 리눅스를 시작으로 윈도 운영체제(윈도XP)에서 정식 지원되기 시작했다.

인텔은 하이브리드 코어 구조를 적용한 12세대 코어 프로세서에도 하이퍼스레딩을 유지했다. (사진=인텔)

이후 하이퍼스레딩은 20년이 흐른 현재까지 인텔 프로세서에 꾸준히 탑재됐다. 인텔이 P/E 코어 기반 하이브리드 구조를 채택한 2021년(12세대 코어 프로세서) 이후 지난 해 코어 울트라 시리즈1(메테오레이크)까지 하이퍼스레딩이 쓰였다.

■ "하이퍼스레딩에는 댓가가 따른다"

그러나 하이퍼스레딩이 반드시 유용한 결과만 가져 오는 것은 아니다. 성능이 최대 30% 늘어나는 대신 코어를 구성하는 공간 중 10% 가량을 하이퍼스레딩에 써야 한다. 소모 전력이 상승할 뿐만 아니라 보안 문제를 낳기도 한다.

스테판 로빈슨 펠로우는 ”하이퍼스레딩은 공짜가 아니며 댓가가 따른다”라고 밝혔다. (사진=지디넷코리아)

지난 주 진행된 '테크투어 타이완' 행사에서 스테판 로빈슨(Stephen Robinson) 인텔 수석 아키텍트겸 펠로우는 "하이퍼스레딩은 공짜가 아니며 댓가가 따른다"고 설명했다.

그는 "하이퍼스레딩은 성능이 극도로 중요한 데이터센터라면 전력 소모 등의 댓가를 치를 가치가 있다. 그러나 루나레이크처럼 전력 소모를 최소로 줄이고 트랜지스터 갯수를 줄여야 하는 상황에서는 의미가 없다"고 설명했다.

접근을 허용해선 안 되는 메모리상의 OS 및 애플리케이션 데이터를 공격자에게 노출시키는 CPU 보안결함을 형상화한 이미지. 멜트다운(왼쪽)과 스펙터.

또다른 댓가는 바로 보안이다. 하이퍼스레딩 구조 설계 당시는 프로세서 내부 보안에 대한 관심이 오늘날 대비 상대적으로 낮았다. 인텔 역시 큰 개선 없이 2002년 당시 확립된 구조를 그대로 유지했다.

결국 이는 16년 후(2018년) 스펙터·멜트다운 등 보안 결함으로 돌아와 인텔 프로세서에 대한 신뢰도를 떨어뜨렸다.

■ "하이퍼스레딩 대신 코어 늘리는 방향으로 갈 것"

지난 20년간 크게 발전한 반도체 제조 공정 기술도 하이퍼스레딩의 빛을 바래게 했다. 2003년 당시 100nm(나노미터) 급이었던 반도체 제조공정은 이제 수 나노급으로 축소됐다.

하이퍼스레딩보다는 코어 수를 더 늘리는 것이 보안이나 전력 효율성 면에서 오히려 더 효과적일 수 있다. 인텔 관계자는 지난 30일 "P/E 코어를 조합하는 하이브리드 방식이 도입되며 하이퍼스레딩 기술로 스레드 수를 늘릴 필요가 사라졌다"고 설명했다.

루나레이크 컴퓨트 타일에는 P코어 4개, E코어 4개 등 총 8개 코어가 탑재된다. (사진=지디넷코리아)

이에 따라 인텔이 올 3분기부터 공급할 모바일(노트북)용 프로세서, 루나레이크(Lunar Lake)부터는 P코어의 하이퍼스레딩이 빠졌다. 코어 수(P4+E4)와 스레드 수(8개)도 일치한다.

스테판 로빈슨 펠로우는 "앞으로 데이터센터나 서버용 제온 프로세서가 아닌 일반 소비자용 제품에서는 하이퍼스레딩을 안 쓰는 방향으로 갈 것이며 다음 세대에도 이런 추세는 계속될 것"이라고 전망했다.