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Intel Nehalem Microarchitecture
1. 개요
IDF 2007에서 처음 공개된 후 2008년에 정식 발표된 마이크로아키텍처. 11월에 출시된 1세대 코어 i 시리즈를 비롯한 다수의 인텔 제품에 사용되었고, 인텔의 틱톡전략에 톡전략으로 만들어진 아키텍처이다. 코어 i 시리즈 자체의 브랜드를 탄생해준 아키텍처였지만 2018년을 기점으로 발표된지 10년을 맞이한 오래된 아키텍처가 되었다.2. 상세
2.1. 배경
2006년부터 시행된 틱톡 전략에 따라 이번에는 펜티엄M 시리즈와 코어 시리즈에 사용된 개량판 P6 마이크로아키텍처, 코어 2 시리즈에 사용된 코어 마이크로아키텍처로 연달아 활약한 이스라엘의 하이파 연구소가 아니라 미국 오리건 주의 힐즈버로 연구소에서 설계되었다. 기존의 코어 마이크로아키텍처가 매우 뛰어난 IPC를 보여준 것과 펜티엄 4, 펜티엄 D에 사용된 넷버스트 마이크로아키텍처로 거하게 말아먹은 전례가 맞물려서 우려하는 분위기였으나, 2007년부터 정보가 조금씩 공개된 이후 불신감은 점차 사그라졌다.2.2. 특징
네할렘 마이크로아키텍처의 코어 내부의 주요 변경 사항은 다음과 같다.
- 코어 레벨 (펜린 대비)
- 프론트 엔드/백 엔드 공통
- 하이퍼스레딩 재도입
- 프론트 엔드
- 분기 예측 개선
- 명령어 인출 단계의 버퍼 용량이 32 바이트 → 16 바이트로 축소
- 명령어 큐와 루프 스트림 탐지기(LSD)가 디코드 단계의 다음 단계로 재배치
- 루프 스트림 탐지기(LSD)가 18 insts → 28 µOPs로 탐지 가능한 범위 증가
- Macro-fusion 개선[1] 및 64비트 모드에서 활성화[2]
- 백 엔드
- 재정렬 버퍼(Reorder Buffer, ROB)가 96 엔트리 → 128 엔트리로 확장
- 통합 스케줄러가 32 엔트리 → 36 엔트리로 확장
- 메모리 서브 시스템
- 로드 및 스토어 장치 (Load-Store Unit, LSU)
- 로드 버퍼가 32 엔트리 → 48 엔트리로 증가
- 스토어 버퍼가 20 엔트리 → 32 엔트리로 증가
- Store Forwarding 개선
- L1 데이터 캐시 메모리
- 레이턴시가 3 → 4 사이클로 증가
변경 사항들을 보면 이전 세대만큼 많이 변경되지 않았다. 그래서 IPC가 평균 10~15% 정도로 향상률이 소폭 낮아졌지만, 이미 경쟁사의 K10 마이크로아키텍처를 한참 웃도는 수준이라서 큰 논쟁거리는 아니었다. 넷버스트 마이크로아키텍처를 설계했던 힐즈버로 연구소의 설계라 우려한 것보다 잘 나왔다는 의견이 있었을 정도.
SoC 레벨에서 보면 CPU 코어 본연의 성능보다는 외부 기능들을 내장 및 통합하여 CPU의 기능을 확장하는 것에 초점을 맞춘 것으로 보이는데, 가장 큰 특징은 메인 메모리 컨트롤러를 비롯한 메인보드 칩셋의 노스브리지 기능이 CPU에 내장된 점이다. 그 덕에 메인보드 칩셋의 구성이 간소화되었지만, 메인 메모리 컨트롤러가 칩셋이 아닌 CPU로 옮겨졌기 때문에 CPU의 특성에 영향을 받아서 오버클러커들에게는 CPU의 쿨링에 더 신경 써야 하는 단점이 생겼다.
이전 세대 쿼드코어와는 다르게 네이티브 쿼드코어로 설계되었다. 사실 코어 마이크로아키텍처에도 더닝턴으로 알려진 네이티브 헥사코어가 있으나, L3 캐시 메모리 자리 대신에 듀얼코어가 자리 잡았다면 듀얼코어가 4개인 옥타코어가 되었을지도 모를 구성이었기에 태생부터 완전한 쿼드코어는 사실상 네할렘 마이크로아키텍처부터라고 볼 수 있다. 캐시 메모리 구조가 변경되어 더닝턴과 마찬가지로 L3 캐시 메모리 슬라이스들이 LLC 메모리로 자리잡았다. L2 캐시 메모리 용량이 크게 축소되었지만, L3 캐시 메모리의 대역폭과 공유 기능으로 보완할 수 있어서 종합적인 캐시 메모리 성능에 치명적이지는 않았다.
과거의 기능이었던 하이퍼스레딩이 부활되었다. 싱글코어 시대였던 펜티엄 4와는 다르게 멀티코어를 통한 멀티스레딩 시대에 재도입한 것이기 때문에 이에 대한 효용성은 그나마 있었으며, 멀티스레드를 잘 활용하는 렌더링, 인코딩 작업 한정으로 4코어 4스레드보다 뛰어난 멀티스레드 성능을 발휘할 수 있게 되었다.
네할렘의 첫 라인업인 블룸필드는 한국에서 워낙 초고가를 형성하고 있던데다, 당시 가격이 자비없던 DDR3 SDRAM을 무려 트리플채널로 구성해야 제대로 된 하이엔드 PC를 구축할 수 있었던만큼 자금적 여유가 있지않은한 블룸필드 구매는 거의 그림의 떡 수준이었다. 당시 막 쏟아져나오던 그래픽 좋은 게임이 Core i7 최적화라는 타이틀을 붙이고 나온데다, 웨스트미어가 출시된 이후에 등장한 스타크래프트2 열풍 속에서 스2를 풀옵으로 그나마 프레임을 제일 높게 뽑아내려면 블룸필드는 어쩔 수 없는 선택이었다보니 네할렘은 그야말로 꿈의 CPU였다. 다행히 2009년 9월에 블룸필드와 크나큰 차이점 없는 린필드가 비교적 저렴한 가격으로 출시되자, 꿈과 환상에 젖어있던 많은 이들이 나도 코어 i 시리즈 좀 써보자고 린필드를 구매하여 샌디브릿지 출시 이전까지 린필드는 국민 CPU 반열에 오르기도 하였다.
네할렘(Nehalem)을 기초로 공정미세화(45→32nm) '틱' 제품은 웨스트미어(Westmere)이다. 참고로 GPU와 내장 메모리 컨트롤러 부분은 그대로 45nm이며, 이 둘이 MCM 형태로 패키징되어 있다.
네할렘 마이크로아키텍처가 사용된 블룸필드, 린필드 프로세서 한정으로, 린필드는 DDR3 SDRAM 컨트롤러가 트리플 채널에서 듀얼 채널로 변경되고 별도의 칩셋으로 분리되어 있던 사우스브리지 영역의 I/O 컨트롤러가 추가 내장되며, 메인보드 칩셋과 연결되는 외부 인터커넥트가 QPI 대신 DMI로 치환해서 보면 된다.[3] 웨스트미어 마이크로아키텍처 기반의 클락데일 프로세서도 코어 내부와 캐시 메모리까지는 린필드와 같은 구조이지만, 메모리 컨트롤러와 I/O 컨트롤러가 내장 그래픽이 포함된 아이언레이크에 옮겨졌다는 차이점이 있다.
이 중 가장 압권은 2010년에 출시된 웨스트미어 기반 헥사코어의 걸프타운 라인업이었는데 걸프타운은 많은 컴덕과 컴퓨터애호가들의 성물 취급을 받았다. 죽기전에 걸프타운 한 번 써보면 여한이 없겠다고 할 정도. 특히, 2013년 초반에 화제였던 괴물급 그래픽카드인 지포스 GTX TITAN과 걸프타운을 함께 콜라보 시킨 조립PC는 당시 아이비브릿지가 최신이라 구형 모델이 된 걸프타운 CPU임에도 많은 이들의 부러움을 샀다. 그만큼 상징성이 큰 CPU였고 지금은 간간히 컴퓨터 관련 커뮤니티에 '걸프타운의 향수'를 다룬 추억팔이성 글이 올라오기도 하니 그 당시 컴퓨팅 성능의 향상에 많은 이들이 환상과 추억을 가지고 있었다는걸 알 수 있다.
그나마 서버나 워크스테이션, 하이엔드 데스크탑(코어 i7 900 시리즈)은 공정 기술 변화로 세대 교체를 제대로 했지만, 일반 데스크탑 CPU와 모바일 CPU는 그러하지 못했다. 처음 나온 네할렘(블룸필드, 린필드) 모델은 쿼드코어 i5 이상만 나왔고, 반대로 듀얼코어 i5 이하나 i3, 펜티엄, 셀러론 CPU는 공정 개량형인 웨스트미어만 나왔다. 이렇게 되어서 쿼드코어급 데스크탑 CPU는 끝까지 웨스트미어 세대 제품을 내놓지 않았다. 이러니 사람들의 인식은 이 두 CPU를 다른 세대로 전혀 인식하지 못했고, 그냥 내장 그래픽 코어가 들어간, 늦게 나온 듀얼코어 CPU로 받아들였을 뿐 공정 기술의 발전이나 미세한 추가 기능을 전혀 생각하지 않았다. 상황이 이래서 인텔조차 두 CPU를 같은 세대로 묶어 버리고 있다.
후속 아키텍처는 인텔 샌디브릿지 마이크로아키텍처.
3. 채용 프로세서
3.1. 네할렘 (45nm 공정)
- CPU-칩셋 간 통신 규격 변경. LGA 1366 소켓 CPU의 경우 FSB에서 QuickPath Interconnect(QPI)로 대체됨. 자세한 것은 해당 문서를 참고.
- 하이퍼스레딩(2-way Simultaneous Multithreading per core) 기술 재도입.
- 순수 쿼드 코어 설계
- L3 공유 캐시 메모리 추가. L2 캐시 메모리는 코어 당 256KB 내장.
- 노스 브릿지의 기능을 CPU에 내장.(PCI Express 호스트 컨트롤러 인터페이스(LGA 1156 한정), 메모리 컨트롤러 등을 통합) 인텔은 이를 두고 시스템 에이전트(System Agent) 또는 언코어(Uncore)라 불렀다.
- LGA 1366 소켓 CPU는 트리플 채널 DDR3 SDRAM 지원, DDR2 SDRAM은 지원하지 않음
- LGA 1156 소켓 CPU는 듀얼 채널 DDR3 SDRAM을 지원하며, LGA 1366 소켓 CPU의 경우와 마찬가지로 DDR2 SDRAM을 지원하지 않음
- SSE 4.2 명령어 추가
- 단일 스레드만을 사용할 때 다른 코어의 활동을 정지시켜 전력 소비를 줄이는 기술 탑재
- 스레드를 1개나 2개만을 사용할때 순간적으로 코어 클럭을 올리는 터보 부스트 기능 탑재
- 코어 아키텍처 모델에 비해 단일 스레드에서 최고 25%, 같은 전력 소비량의 다중 스레드에서 최고 100% 성능 향상
- 코어 아키텍처 CPU와 성능이 같은 경우 전력 소비량이 최고 30% 적음
3.2. 웨스트미어 (32nm 공정)
- IDF 2009에서 처음 공개된 후 2010년 1월에 본격 투입된 마이크로아키텍처.
- 45nm에서 32nm 공정으로 미세화. 일부(듀얼코어 모바일/데스크탑 모델) 모델 한정으로 CPU 코어 부분만 32nm 공정으로 미세화되고, 내장 GPU와 내장 메모리 컨트롤러는 45nm 공정 그대로 유지되었다.
- AES, AES-NI 알고리즘 포함(i3 이하 모델 제외). 지원하는 소프트웨어 사용 시 암호화 및 해제 속도를 최고 3배까지 향상시킬 수 있다.
- 일부(듀얼코어 모바일/데스크탑 모델) 모델에 내장 그래픽 코어 포함. 원래는 초기형 네할렘 모델인 어번데일(모바일)과 헤븐데일(데스크탑)에 넣을 계획이었지만, 여러 이유로 프로젝트를 뒤엎었다. 그 이유로 초기형 네할렘 모델에는 듀얼코어 제품군이 없다.
- 가상화 반응 속도 개선 및 가상화 무제한 모드 추가
- Intel Upgrade Service 최초 지원. 소프트웨어를 통해 CPU 교체 없이 클럭 향상이나 하이퍼스레딩, 캐시 추가 등 추가 업그레이드를 제공하는 기능으로, 기능 자체는 이전세대 울프데일 시기에 나온 B43 칩셋 출시때부터 있었지만 이를 지원하는 CPU가 출시되지 않았었다. 그러다가 클락데일 제품군의 펜티엄 G6951이 해당 기능을 최초로 지원하는 CPU로 출시되었다. 현재는 지원 종료로 더 이상 업그레이드 기능을 제공하지 않는다.
4. 재조명
일반적으로 구 세대 CPU는 새로운 아키텍처를 쓴 CPU에 밀려 단종이 되고, 더 시간이 지나면 중고 거래조차 뜸해져 정말 역사의 뒤안길로 사라지는 것이 보통이다. 그렇지만 네할렘 아키텍처 CPU 가운데 일부 모델은 2014년을 전후로 갑자기 재조명을 받으며 활발한 중고 거래가 이뤄지게 된다. 그 중심에 있는 것이 제온 X5650이라는 CPU.제온 X5650은 LGA1366 규격을 쓰는 웨스트미어-EP 코어의 서버용 헥사코어 CPU다. 그냥 헥사코어 제품군 가운데 기본형 모델이기에 일반 사용자와 큰 접점이 없었어야 했으나, 이 CPU를 데스크탑/세미 워크스테이션용 칩셋인 X58 칩셋 메인보드에 쓸 수 있다는 것이 알려지면서 일부 인외마경 커뮤니티를 중심으로 붐이 일었다. 메인보드 가격이 중고임에도 비싸지만[4], 헥사코어 CPU를 10만원 미만으로 구할 수 있었기 때문. 물량이 풍부하게 돌아다닐 때는 6만원대까지 떨어졌다. 아키텍처가 구 세대[5]에 작동 속도도 느리지만, 작동 속도는 오버클럭으로 극복할 수 있고, 비록 최신형 CPU보다 성능이 떨어진다고는 하나 헥사코어 + 하이퍼스레딩의 조합이 내는 성능은 무시할 수 없어 저렴한 가격으로 많은 코어를 필요로 하는 작업을 하는 사용자부터 그냥 저렴하게 업그레이드를 하려는 사람까지 몰려들었다. 2014년 말을 기준으로 CPU 공급이 줄어들고 열풍도 잠잠해져 다시 CPU 가격이 10만원 선으로 올라갔지만, 조금만 싼 매물이 나오면 바로 달려들 정도로 잠재 수요가 남아 있는 편.
4.1. 한계
2019년 이후로는 X5650보다 한 단계 더 윗등급인 X5670 중고를 2만원 정도에 구할 수 있는 상황이다. 4.0GHz 이상 오버클럭이 손쉽게 들어가며 이 경우 정수 연산 능력도 현세대 CPU들에 크게 밀리지 않아 압축 성능 벤치마크 등에서는 꽤 선전하는 모습을 볼 수 있으나, 렌더링과 인코딩 및 게임 등 다양한 분야에 영향을 미치는 부동소수점 연산 성능이 확연히 딸리고 최신 명령어도 지원하지 않기 때문에 실제 체감 성능은 신통치 않다. 게다가 DDR3 SDRAM을 사용하기 때문에 램 클럭이 낮아 메모리 읽기/쓰기 속도가 당연히 뒤쳐지고, 어지간히 고급형 보드가 아닌 이상 SATA3나 USB 3.0 등의 규격을 지원하지 않기에 CPU 외적으로 속도에서 걸림돌이 꽤 많다.간단히 비교하면 6코어 12스레드 CPU를 4.2GHz 정도로 오버했을 때 2019년 시점의 현역 6코어 6스레드 CPU들[6]과 정수 연산 능력은 엇비슷하거나 살짝 우위를 점하는 반면, 부동소수 연산 능력은 거의 반절 이상 뒤떨어지고, 극단적으로 성능이 올라간 젠3 6코어 12스레드 CPU 5600X와 비교할 경우 정수 연산이건 부동소수 연산이건 거의 반토막에 가까운 성능 차이가 난다. 여기에 전력은 요즘 부품들과 비교했을때 엄청나게 퍼먹고 앞서 언급한 느려터진 구세대 DDR3 램이나 똑같이 느려터진 SATA2와 USB 2.0 등 CPU 자체 성능 외적인 부분까지 보면 더욱 못 써먹을 물건이다.
결정적으로 걸림돌이 되는건 메인보드다. X58 칩셋 메인보드들은 나온지 10년은 된 것들이라 수명이 간당간당하고 매물도 생각보다 많지는 않은 탓에 이러한 10년이나 넘은 구닥다리 중고 매물 주제에 10만 정도 시세로 책정되어 올라오는 경우가 빈번하다. 똑같이 6코어 12스레드 이지만 샌디브릿지 기반의 제품군인 i7 3930K나 제온 E5-1650의 경우에는 중고 매물 시세도 웨스트미어 제온들과 비슷하고, 기본적인 품질에 의구심이 들 수는 있겠지만 중국산 신품 LGA 2011 소켓 메인보드[7]의 매물이 알리익스프레스 등지에서 그야말로 넘쳐나는 수준이기에 시스템을 구성하기가 최소 2배는 더 쉬우며, 성능도 약간이나마 더 좋다.
냉정하게 말해 X58 메인보드를 기존에 가지고 있었거나 윈도우 XP나 비스타 같은 고사양 레트로 OS 시스템[8]을 구성하려는게 아니라면 굳이 10만 넘는 돈을 들여가면서까지 웨스트미어 시스템을 맞출 가치는 딱히 없다. 다시 말해 해당 시스템을 현 시점에 구축하는 것은 어디까지나 컴덕들의 취미 영역.
2021년 윈도우 11 출시 이후에는 사용이 버거워져 사실상 퇴역을 앞두고 있다. 리눅스도 예외는 아니어서 우분투 20.10버전부터 BIOS 지원을 중단하여 USB 부팅 실패 이슈가 발생하며 설치시에 EFI 파티션이 없어서 설치나 부팅이 실패할 수 있다는 오류 메시지를 출력하며 설치되는 상황이다.[9]
2024년 기준 현 시점에서 현역으로 써먹기엔 다소 무리가 따른다. 6코어급 걸프타운을 제외하면 성능 자체도 그저 그렇고 웹서핑이나 영상 감상, 캐주얼 게임 정도가 한계. 특히 SATA3 미지원에 따른 SSD 지원의 한계, DDR3램의 낮은 램클럭, USB 3.0 미지원에 따른 느려터진 속도로 인해 고통받게 된다. 특히 22H2가 적용된 Windows 10의 경우 기존부터 누적된 각종 업데이트로 인해 2022년 이후로 코어2 쿼드 시리즈 + 램 4GB + SATA SSD를 장착한 상태에서도 이제는 사무용으로 사용이 힘들 정도로 운영체제가 무거워졌으며, 코어2 쿼드보다는 낫지만 인텔 1세대 i5조차도 사무용으로 사용하기가 버겁다는 의견이 나오고 있다. 여담으로 윈도우 11 24H2 이후 버전을 부팅시킬 수 있는 CPU의 마지노선이다.
5. 사용 모델
인텔 네할렘 마이크로아키텍처/사용 모델 문서 참조.6. 관련 문서
[1] 기존 코어 마이크로아키텍처에서는 CMP-Jcc 패턴에서 Jcc 명령어가 CF, ZF를 사용하는 경우에만 CMP 명령어와 융합 가능했는데, 네할렘부터는 추가적으로 JL/JLE/JG/JGE 명령어 또한 융합 가능하다.[2] 기존 코어 마이크로아키텍처에서는 64비트 모드에서 Macro fusion이 비활성화되었음[3] QPI 자체가 없어진 것은 아니고 코어 간, 코어-언코어 간에 존재한다. CPU-메인보드 칩셋 간 외부 인터커넥트가 QPI가 아닐 뿐이다.[4] 2015년 3월 기준으로도 7만원 이상.[5] 이것도 인텔 CPU를 기준으로 할 때의 열세다. AMD CPU로는 2014년말 기준 최신형 모델인 스팀롤러-B 코어 CPU에 들어서야 겨우 네할렘 아키텍처 CPU를 넘는 IPC를 갖게 되었다.[6] 인텔 i5 9600K나 AMD 라이젠5 3500X.[7] 간단히 이야기하자면 주로 LGA 1155 소켓 메인보드의 6X ~ 7X 시리즈 칩셋을 마개조해서 LGA 2011 소켓 CPU들을 사용할 수 있게 만든 물건들. 심지어 이러한 중국발 개조 X79 보드들은 X79 칩셋과 LGA 2011 소켓이 현역이였을 시기에는 없었던 M.2 소켓과 USB 3.0도 존재한다.[8] 이것도 굳이 억지로 용도를 찾을 때 이야기지 약간의 수고를 감내한다면 XP나 비스타 정도는 어거지로 라이젠 시스템에 올리는 것 정도까진 가능하다.[9] 영상강의를 듣거나 게임을 하지 않는 거라면 리눅스계열의 하모니카 OS도 고민해 볼만하다. 덤으로 구글에서 만든 Chrome OS Flex도 있다.