여러 AMD 오버클럭 기술을 한눈에 살펴보자! AMD CPU의 역사와 PB, XFR, PBO, Auto O.C, Curve Optimizer 기술

안녕하세요 ITKBJ 김병장입니다. 오늘은, AMD의 여러 오버클럭 기술들에 대해 정리해보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

오늘 글의 차례는 다음과 같이 구성하였습니다.

1.       서론 – AMD Zen 프로세서의 시작

2.       Zen1, 1세대 라이젠 – Precision Boost & XFR

3.       Zen+, 2세대 라이젠 – Precision Boost 2.0 & XFR 2 & Precision Boost Overdrive

4.       Zen2, 3세대 라이젠 - Precision Boost 2.0 & Precision Boost Overdrive & Auto O.C

5.       Zen3, 4세대 라이젠 – Precision Boost 2.0 & Precision Boost Overdrive 2.0 with Curve Optimizer

6.       마치며

관심있는 부분만 읽어도 좋고, 모두 읽어도 좋을 것 같습니다.

 

1.       서론

AMD는 2017년 8월 Zen 프로세서를 출시하며, CPU 시장에 긍정적인 변화를 가져오기 시작했습니다. 기존 시장은 인텔의 4코어 8쓰레드 CPU가 압도한 상태였지만, AMD는 4코어 8 쓰레드에서 시작하여, 최대 8코어 16쓰레드(소비자용 기준)까지, 인텔대비 가격이 저렴하면서도 성능이 괜찮은 CPU를 출시했습니다.

AMD가 출시한 초기 Zen 프로세서는, 기존 4코어 8쓰레드가 표준화된 CPU 시장에서, 코어를 늘리게 되는 시발점이 되었습니다.

하지만 이 과정에서 조그만 문제가 발생합니다. CPU 코어는 늘어났지만, CPU의 클럭에 관한 기술은 그대로라, 코어가 늘어난 부분에서 성능하락이 일어나는 문제가 있었죠. 그래서 저 역시 초기에 Ryzen 7 1700 프로세서를 사용했을 때, 수동 오버클럭을 한 후 사용했던 경험이 있습니다.

이러한 문제점을 개선해 나가고, 코어를 더욱 더 늘리며 공격적인 발전을 시도한 AMD는, 이후 경쟁사인 인텔보다 더 높은 성능과 코어를 지닌 프로세서를 출시하였으며, 점유율 역시 인텔을 추월하는, 점유율 역전 현상을 보이고 있죠.

오늘 글에서는 이러한 발전을 가져온 AMD의 프로세서 관련 기술의 발전 과정과 각 기술에 대해 자세하게 소개하는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

2.       Zen 1, 1세대 Ryzen CPU

1세대 라이젠 CPU는 14nm 공정으로 제작되었으며, 코드 네임 Summit Ridge, 서밋 릿지라는 네이밍을 가지고 탄생했습니다. 4코어 4쓰레드의 최하위 라인업부터, 8코어 16쓰레드의 최상위 라인업까지, 다양한 CPU를 출시하였습니다. 초기 출시된 라이젠 CPU에는 여러 기술이 들어가 있지만, 두가지 기술에 집중하여 서술하도록 하겠습니다.

바로 Precision Boost와 eXtended Frequency Range입니다. 간단한 소개를 위해 두 단어를 PB와 XFR로 부르도록 하겠습니다.

먼저 PB에 대해 살펴보면, 기본적으로 발전된 부스트 기술이라 생각하면 좋습니다.

이 기술은, 어떠한 프로그램이 코어를 사용하는 양에 따라, 각 코어의 클럭을 25MHz 단위로 조절하여 성능을 향상시키는 기술입니다. 가령 어떤 프로그램이 0번 코어부터 3번 코어까지, 총 4개의 코어를 집중적으로 사용한다면, 해당 코어의 클럭만 높이고, 다른 코어는 아이들 상태로 휴식시켜 성능을 높이는거죠.

다음은 XFR 기술입니다.

XFR 기술은 이름에서 알 수 있듯이, 만약 프로세서의 온도가 기준 온도보다 낮을 경우, 더 많은 전력을 공급하여 PB기술에서 올리는 클럭보다 더 높게 클럭을 높이는, 일종의 자동 오버클럭 기술입니다. 단, 이 기술은 1코어에서만 동작하였습니다.

Zen1 당시 1700 과 1700X, 두가지 종류의 1700 CPU를 보시면, X가 붙지 않은 1700에서는 동작하지 않고, X가 붙은 1700X는 0.1GHz씩, PB에서 올리는 클럭보다 더 높게 클럭을 향상시키는 기술입니다.

 

초기에는 이러한 기술들이 적용되어 CPU 클럭을 향상시켜 성능을 향상시켰죠. 하지만 초기 기술에는 문제가 있었습니다.

프랑스CPChardware의 Zen+ 벤치마크에서 발췌한 그래프를 보시면 이해가 쉬울 겁니다.

그래프를 보시면, 코어가 늘어났을 경우 다른 모든 코어가 3.7GHz로 고정이 되는 현상을 볼 수 있습니다.

초기 PB기술은 2코어 이상의 다중 코어 부하 상태에서 클럭이 더 이상 향상되지 않는 문제점이 있었습니다.

 

이러한 문제점 때문에, 초기 AMD CPU를 사용했던 유저들은, 수동 오버클럭을 자주 시도하였습니다. 저 역시 초기에 Ryzen 1700 CPU를 사용했을 때, 수동 오버클럭으로 3.9GHz로 고정을 하고 사용한 기억이 나네요.

 

이러한 문제점은 Zen 아키텍처를 개선한 Zen+에서 해결되었습니다.

3.       Zen+, 2세대 라이젠

Zen+라는 아키텍처 네이밍 때문에 아직도 조금 헷갈리는 세대이지만, 기본적으로 2세대로 불립니다.

2세대 라이젠 CPU는 12nm 공정으로 제작되었으며, 코드 네임 Pinnacle Ridge, 피나클릿지라는 네이밍을 가지고 탄생했습니다. 4코어 4쓰레드부터, 8코어 16쓰레드까지의 코어를 지녔습니다.

현재 라이젠 프로세서의 핵심 기술의 발판이 되는 발전이 시작된 아키텍처이기도 합니다. Zen+에서는 Precision Boost 2.0(이하 PB2), eXtended Frequency Range 2(이하 XFR2), Precision Boost Overdrive(이하 PBO) 기술이 핵심 기술입니다.

한 번 더, 프랑스 CPChardware의 Zen+ 벤치마크 자료입니다.

기존 Zen 아키텍처 CPU에서는 2코어 이상 부하가 걸릴 경우 클럭이 고정되었지만, PB2기술이 적용된 Zen+ 아키텍처 CPU에서는 그러한 현상이 없어졌습니다.

전력 소모와 온도를 자동으로 판단하여, 모든 코어의 클럭을 조절하게 되었습니다.

다음은 XFR2 기술입니다.

기존 XFR 기술은, 1코어에만 동작하며, 일종의 자동 오버클럭 기술로 들어갔기 때문에, XFR로 인해 CPU에 문제가 발생했을 경우 보증이 되지 않았습니다.

하지만 XFR2부터는, PB 기술처럼 기본 기술로 들어가게 되었기 때문에, 보증이 되며, 자동 오버클럭이라 보기보단, 부스트 기술 중 하나로 들어갔다고 보시면 됩니다. 또한, 기존 XFR 기술은 1코어, 즉 단일코어에만 적용되었지만, XFR2부터는 모든 코어에 적용됩니다.

역시 X가 붙은 CPU에서만 동작하며, PB2 기술과 연계되어 사용되기 때문에 더 높은 클럭을 기대할 수 있는 기술입니다.

다음은, 향후 나오는 라이젠 CPU의 든든한 기술의 밑바탕이 된 PBO 기술입니다.

PBO 기술은, PB + Overdrive라고 보시면 됩니다.

기존 PB2와 XFR2의 경우, 전력과 온도에 제한이 걸린 상태입니다. 기준 온도는 60도이며, 전압 역시 메인보드와 CPU에 따라 전압과 전력에 제한이 걸린 상태로 동작하기 때문에, 해당 기준을 넘어서 전력을 공급할 수 없습니다.

이러한 제한 중, 전력과 전류에 대한 제한을 해제하는 것이 PBO입니다.

왼쪽 삼각형이 기존의 PB2 + XFR2라면, 오른쪽 삼각형은 거기에 PBO를 더한 거라 보시면 됩니다.

좀 더 자세히 보면, 삼각형에서 VRM Current, SoC Power를 PBO가 확장하여 성능을 높이는 거죠.

 

여기서 한가지 볼만한 요소는, PPT, TDC, EDC입니다. VRM Current와 SoC Power에서 파생되었으며, 세분화된 기준이라 보면 됩니다.

Ryzen Master에서도 이 수치에 대해 확인해볼 수 있습니다.

PPT는 SoC(System on Chip), 즉 CPU에서 더 많은 전력을 소모할 수 있도록 하는 수치입니다.

TDC는 메인보드의 VRM 설정, 즉 메인보드 전원부에서 CPU에게 지속적으로 끌어주는 전류입니다.

EDC는 메인보드의 VRM 설정, 즉 메인보드 전원부에서 CPU에게 순간적으로 끌어줄 수 있는 피크 전류입니다.

 

이러한 기술의 발전은 향후 나올 라이젠 CPU의 기술 향상에 기여한 디딤돌로 볼 수 있습니다.

하지만 이러한 기술 발전에도 불구하고, 문제점이 있었습니다. 저 역시 2700X CPU를 사용하며 겪은 문제였는데, PBO 알고리즘이 지나치게 전력을 끌어 쓰는 문제였죠.

메인보드의 전압 설정이 AUTO일 경우, 전압을 1.45V 이상 사용하여 온도가 피크로 올라가고, 쿨링을 위해서 갑자기 클럭이 뚝 떨어지는 등, 초기 PBO 기술이라 이런 문제가 발생하여 당시에는 메인보드 전압을 일정수준 아래로 고정하는 등, 여러 설정이 필요했습니다.

또한, PBO의 경우 CPU의 최대 부스트 코어 이상으로 늘어날 수 없다는 단점이 있죠.

이러한 문제점은 Zen2 아키텍처 CPU에서 개선됩니다.

 

4.       Zen2, 3세대 라이젠

3세대 라이젠 CPU는 7nm 공정으로 제작되었으며, 코드 네임Matisse, 마티스라는 네이밍을 가지고 탄생했습니다. 4코어8쓰레드부터, 16 코어 32쓰레드까지의 코어를 지녔습니다. 기존 Zen CPU는 최대 8코어 16쓰레드(소비자용 기준, 쓰레드리퍼 제외)였지만, Zen2 아키텍처부터는 12코어 24쓰레드, 16코어 32쓰레드까지 확장되었습니다.

Zen2 아키텍처부터는 기존에 강조하던 XFR2와 PB2를 통합하여 PB2로 명명하였으며 이는 https://www.amd.com/ko/support/kb/faq/cpu-pb2에서 확인해볼 수 있습니다.

기존에 언급하던 XFR2, PB2에 관한 내용이 모두 섞여 있기 때문에, 소비자의 입장에서는 PB2에 통합되었다고 보시면 좋을 것 같습니다.

이러한 통합과 더불어, PBO 기술에  Auto O.C 기술이 추가되었습니다.

 

기존 PBO의 문제점으로는 2가지가 있었습니다.

1.       과도한 전력 사용

2.       최대 부스트클럭 이상으로 도달 불가

이러한 문제점을 개선 / 해결한 세대입니다.

저 같은 경우 2700X -> 3800X로 넘어갔으며, 과도한 전력의 사용에 관한 부분은 PBO 기술을 업데이트 하며 개선되었습니다. 무작정 1.45V씩 먹던 PBO가 1.4v정도만 먹고, 온도 관리가 좀 더 유연 해졌습니다.

 

최대 부스트클럭 이상으로 도달하지 못하는 부분은, Auto O.C가 등장하며 해결되었습니다.

Auto O.C는, 이름 그대로 자동으로 오버클럭 해주는 기술입니다. 기존 최대부스트 클럭에 + 100MHz, 200MHz까지, 사용자가 원하는 만큼 최대 +200MHz까지 클럭을 높이도록 해줍니다.

단, 제약 조건이 물론 있습니다. 오버클럭이기 때문에 칩의 수율이나 냉각 상태에 따라 도달하지 못할 수 있습니다.

 

5.       Zen3, 4세대 라이젠

3세대 라이젠 CPU는 7nm 공정으로 제작되었으며, 코드 네임 Vermeer, 버미어라는 네이밍을 가지고 탄생했습니다. 6코어12쓰레드부터, 16 코어 32쓰레드까지의 코어를 지녔습니다.

이전세대 라인업과 달리, 현재까지 Ryzen 5, 즉 6코어 12쓰레드 미만의 제품군이 아직 존재하지 않습니다. 2020년 11월에 최초 공개 후, 아직 2021년이기 때문에 다른 제품군이 나올 여지가 존재합니다.

Zen3 아키텍처에서는 기존 PBO에서 발전된 PBO2 기술이 등장하였습니다.

PBO2에서는 기존 PBO 기술을 더욱 개선하고, 언더볼팅 기술과 어뎁티브 기술이 추가되어 더 많은 커스텀 설정이 가능합니다.

기존 PBO에 여러 기술을 추가하여 PBO2라고 명명하였습니다. PBO2에서는 기존 PBO에서 싱글 쓰레드 성능을 향상, 언더볼팅 기술 추가, 향상된 성능과 전력 관리 능력, 커스텀 최적화가 가능합니다.

 

이를 가능하게 만든 건 바로 Curve Optimizer라 봐도 무방합니다.

Curve Optimizer는 이름 그대로, 곡선을 최적화한다는 소리입니다.

 

PBO 기술은, 프로세서마다 다른 것이 아니라 일괄적으로 적용되어 있습니다.

예를 들어보자면, 제가 가진 5950X는 오버클럭을 했을 때, 올 코어 4.7GHz까지 들어가지만, 제 친구것은 수율이 좋지 않아 올 코어 4.5GHz까지 못 들어 갈 수도 있고, 상위 1% 수율을 지닌 CPU는 4.9GHz도 들어갈 수 있다! 라고 예를 들어봅시다.

각 CPU는 수율이 전부 다르지만, PBO는 동일하게 적용됩니다. 수율이 좋든 말든, AMD가 정한 알고리즘의 기준에 따라 똑같이 전압을 넣어주고, 온도에 따라 제한하게 되는 거죠.

 

한번 생각해보면, PBO 알고리즘은 여러 수율에 적용되어야 하기 때문에, 어떠한 평균 수치에 맞춰져 있을 가능성이 높다고 생각할 수 있습니다. 어떤 프로세서에서는 동작하고, 어떤 프로세서에서는 동작하지 않고 그러면 문제가 발생할 수 있기 때문이죠.

기업이라면 안정성을 추구해야하기 때문에, 당연한 결과라고 생각됩니다.

 

이러한 문제점을 해결함과 동시에, 사용자들이 원하던 PBO 기술의 커스텀이 가능해진 것이 바로 Curve Optimizer 입니다. 사용자가 원하는 대로 전력을 미세하게 조절하여, PBO알고리즘을 최적화할 수 있게 된 거죠.

심지어는 전체 코어가 아닌, 개별 코어별로도 조절이 가능합니다.

이러한 기술의 발전은, 더 이상 귀찮게 수동 오버클럭을 할 필요도 없이, PBO 단독으로도 CPU의 최대 포텐셜을 이끌어 낼 수 있게 되었습니다.

다음 글에서는, 이러한 Curve Optimizer의 튜닝법과 벤치마크 방법 등을 글로 작성하여 더 쉽게 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대해 서술하도록 하겠습니다.

6.       마치며…

지금까지 AMD CPU의 발전과 그에 따른 기술 발전에 대해 정리해 보았습니다.

PBO기술은 사실상 Zen 2 이후부터는 수동 오버클럭보다 오버클럭 포텐셜이 높을 정도로 높은 완성도를 보이고 있습니다.

저는 Zen 아키텍처부터 Zen3까지, 이러한 기술의 발전을 모두 지켜보고 사용해보았기 때문에, 앞으로의 AMD의 기술 발전에 더욱 기대가 됩니다.

 

이번 Zen 3를 마지막으로, AM4 소켓의 4~5년간의 역사를 넘어, 이후에는 새로운 소켓으로 바뀔 것으로 보입니다.

 

AMD는 침체된 CPU 시장에 Zen 아키텍처를 등장시키며, 소비자들에게 더 많은 코어, 더 높은 성능을 제공하는, CPU 역사에 기록될 괄목할 만한 발전을 일으켰습니다.

앞으로 출시될 Zen 4, Zen 5… 그 이후까지, 이러한 행보를 이어 나가며 더 높은 성능, 더 많은 코어의 발전이 있을 것입니다.

이러한 진화를 가능하게 한 AMD를 응원하며 글을 마치도록 하겠습니다.

 

지금까지 ITKBJ 김병장이였습니다. 읽어 주셔서 감사합니다!