[고든 정의 TECH+] CPU와 GPU 붙이기 누가 제일 잘할까?

GPU는 본래 그래픽 연산, 특히 3D 관련 연산에 초점을 맞춘 특수 목적 프로세서였으나 최근에는 인공지능 연산 및 병렬 컴퓨팅 목적으로 수요가 크게 늘어나면서 인텔 같은 전통적인 CPU 제조사까지 GPU 개발에 뛰어들고 있습니다. 

하지만 그렇다고 해서 GPU가 CPU가 하던 일을 모두 대신할 수 있는 것은 아닙니다. GPU는 특정 연산 속도는 매우 빠르지만, 컴퓨터가 제대로 작동하기 위해서는 여전히 CPU의 역할이 중요합니다. 그리고 최근에는 빠른 연산을 위해 CPU와 GPU의 연계가 중요해지고 있습니다. 

따라서 인텔, 엔비디아, AMD는 모두 자체 CPU와 GPU를 넣은 고성능 통합 프로세서를 개발하고 있습니다. 2023-2024년 사이 등장할 차세대 하이브리드 프로세서들은 제각기 다른 방식으로 CPU와 GPU를 하나로 묶을 예정입니다. 

 자체 ARM 프로세서와 GPU의 결합을 꿈꾸는 엔비디아

엔비디아는 ARM 인수에 실패했지만, 여전히 ARM 기반 고성능 프로세서 개발을 진행하고 있습니다. 엔비디아가 최근 공개한 그레이스 슈퍼칩은 고성능 서버용 ARM 아키텍처 기반의 72코어 CPU를 CPU + CPU 방식으로 조합하거나 혹은 CPU + GPU 방식으로 조합할 수 있습니다. 

두 개의 칩을 물리적으로 결합하는 일은 엔비디아의 독자 고속 인터페이스인 NV Link Chip to Chip (C2C)가 담당합니다. NVLink는 업계 표준 규격이지만, 대역폭이 좁은 PCI express를 대신하는 엔비디아의 독자 규격으로 PCIe 5.0과 비교할 때 25배 정도 에너지 효율이 우수하고 90배 정도 밀도가 높습니다. 데이터 전송 속도는 900GB/s 이상입니다.

엔비디아는 그레이스 슈퍼칩 CPU와 최신 호퍼 GPU, HBM3 메모리를 붙여 매우 강력한 슈퍼컴퓨터를 만들 계획입니다. 미국 에너지부 산하의 로스 알라모스 국립 연구소에 설치될 버나도 슈퍼컴퓨터가 그 주인공으로 10엑사플롭스급의 인공지능 연산 능력을 지녀 가장 빠른 인공지능 컴퓨터가 될 예정입니다. 엔비디아는 그레이스 슈퍼칩이 출시 시점에서 가장 뛰어난 고성능 프로세서가 될 것으로 자신하고 있습니다. 

앤비디아는 GPU 전문 제조사로 CPU 분야에서 영향력은 미미했습니다. 그래서 첫 서버 CPU인 그레이스 슈퍼칩이 의미 있는 성과를 거둘 수 있을지 시선이 쏠리고 있습니다. 

전통의 APU 제조사 AMD

AMD는 이미 2006년에 ATI를 인수하면서 그래픽 카드 시장에 진입했고 CPU + GPU 형태의 프로세서인 APU를 출시해 시장에서 좋은 반응을 얻었습니다. 콘솔 게임기 시장에도 AMD의 특화된 APU들이 탑재됩니다. 

하지만 최근 GPU가 인공지능 연산 및 데이터 분석에서 역할이 커지면서 AMD 역시 에픽 CPU와 고성능 GPU를 결합한 제품을 준비하고 있습니다. AMD는 내년 선보일 인스팅트 MI 300에서 Zen 4 아키텍처 기반의 서버 CPU와 CDNA3 GPU를 결합할 예정입니다. 이 CPU와 GPU는 칩렛 형태로 고성능 메모리와 함께 3D 패키징 방식으로 묶어서 제조됩니다. 

AMD는 CPU와 GPU를 통합하는 데 오랜 노하우를 지니고 있기 때문에 결과에 대해 자신하고 있습니다. AMD에 따르면 인공지능 연산 능력은 전 세대와 비교해서 5배나 높아질 수 있습니다. 

다만 GPU 자체의 연산 능력과 인공지능 생태계는 엔비디아 쪽이 더 앞서 있다는 것이 일반적인 평가입니다. 과연 엔비디아의 첫 서버 CPU가 GPU와 잘 결합해 AMD를 누를지 아니면 통합 프로세서 제조에 경험이 많은 AMD가 판정승을 거둘지 주목됩니다.

 GPU 시장에 도전자 인텔

인텔은 GPU 시장의 신참이지만, AMD의 라데온 개발을 담당한 라자 코두리를 영입해 공격적인 GPU 개발 로드맵을 공개했습니다. 그리고 현재 인텔이 밀고 있는 타일 기반의 프로세서 제조 방식을 통해 서버 CPU와 GPU를 결합하려고 준비 중입니다. 2024년 출시를 목표로 하고 있는 팔콘 쇼어스 XPU는 x86 CPU와 Xe GPU, 그리고 HBM 메모리를 결합한 것으로 기존 프로세서와 비교해서 5배의 와트당 성능을 목표로 하고 있습니다. 

인텔의 프로세서 제조 방식은 전통적으로 하나의 다이에 모든 것을 집중시키는 방식이었으나 최근 프로세서 크기가 커지고 비용이 증가하면서 작은 타일 여러 개를 묶어 하나의 큰 프로세서를 만드는 방식으로 전환하고 있습니다. 어차피 붙여서 만든다면 CPU에 GPU를 못 붙일 이유가 없습니다. 다만 인텔 GPU의 성능은 아직 베일에 가려 있어 실제 결과물이 어떻게 나올지는 두고 봐야 알 수 있습니다. 

현재 인텔, AMD, 엔비디아는 방식은 달라도 결국 비슷한 목적의 제품을 2023-2024년 사이 시장에 내놓고 경쟁할 예정입니다. 이들이 CPU, GPU 통합 프로세서를 내놓은 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. CPU와 메모리가 탑재된 메인보드에 독립 그래픽 카드를 여러 개 설치하는 방식은 부피도 크고 에너지 효율이 낮습니다. 이들을 모두 통합해 하나로 묶으면 빠른 데이터 전송이 가능한 것은 물론 전력 소모도 줄어들게 됩니다. 부피가 큰 폭으로 감소하는 것은 말할 필요도 없습니다. 인텔은 최대 5배 정도 시스템 밀도를 높일 수 있을 것으로 보고 있습니다. 

따라서 인공지능 연산 등 특정 목적의 고성능 서버와 슈퍼컴퓨터에서 CPU + GPU + 고속 메모리의 조합은 앞으로 특수한 경우가 아니라 일반적인 상황이 될 것입니다. 전통적인 GPU 제조사인 엔비디아가 서버 CPU를 만들고 업계 1위의 CPU 제조사인 인텔이 갑자기 서버 GPU 개발에 나선 건 그럴 만한 이유가 있는 셈입니다.

모두 만만치 않은 회사들인 만큼 앞으로 누가 이 시장에서 주도권을 가져갈지 쉽게 예측할 수 없지만, 결과에 따라 GPU는 물론 CPU 업계 판도까지 달라질 수 있을 것으로 예상됩니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com