매년 가을 애플은 새로운 A 시리즈 프로세서에 탑재해 아이폰을 업그레이드한다. 특별한 것을 기대하는 것은 아니지만, TSMC의 새로운 3nm 제조 공정이 A17 칩에 몇 년만에 가장 확실한 성능과 기능 도약을 가져다줄 것은 확실하다.

애플이 자체적으로 설계하는 A 시리즈 칩의 지난 몇 년을 되돌아보면, 그리고 새로운 공정 기술이 애플에게 주는 지금까지 알려진 방향과 목표를 살펴보면, A17이 어떤 모습일지 어느 정도 또렷한 윤곽이 잡힐 것 같다.
 

아이폰 15프로 또는 울트라에 대해

지난해 A16 칩은 아이폰 14 프로에만 탑재됐다. 일반 아이폰 14는 A15 칩을 썼다. 올해에도 이 패턴은 반복될 것으로 보인다. 최신인 A17 칩은 아이폰 15 프로, 아이폰 15 프로 맥스(또는 루머대로라면 아이폰 15 울트라로 명명될 수도 있다)에만 탑재되고 일반 아이폰 15는 아이폰 14 프로 모델에 쓰인 A16칩을 탑재하는 것이다.

앞으로도 이 패턴이 계속될까? 스마트폰 기능과 품질이 정체되고 애플 스마트폰 칩과 안드로이드 칩이 비슷해지는 상황에서는 굳이 무리해 변화할 필요가 없다. 애플에 있어서는 비용 절감도 되고, 일반 모델과 프로 모델의 차이 강조를 통해 사용자가 더 비싼 제품을 구입할 유인을 만들 수도 있다.
 

애플 최초의 3nm 칩

A14, 15, 16칩은 모두 TSMC의 5nm 공정으로 만들어졌다. 물론 시간이 지나면서 발전해 더욱 밀도가 높고 전력 효율이 개선된 칩이 만들어졌지만 다음 공정 노드로 도약하지는 않았다. TSMC가 3nm 공정을 채택하면서 최초로 대규모로 양산하는 칩인 A17은 새로운 공정이라는 이점을 얻을 것이 거의 확실하다.

3nm로 애플이 누릴 이점은 길게 말할 수 있다. A16의 트랜지스터가 약 160억 개라면 A17은 200억 개 이상, 아마도 240억 개까지 늘어날 것이다.

3nm 공정도 전력 효율성이 크게 향상되겠지만, 애플은 비슷한 속도로 비슷한 칩을 만들지는 않을 것이다. 최대 전력 소비량은 배터리 크기, 열 분산 기술 등의 다양한 요소라는 한계를 받으므로 3nm 공정으로 업그레이드되었다는 것만으로 배터리 수명이 크게 늘어날 것 같지는 않다. 적어도 전체 전력에서 능동적으로 사용하는 것은 아니다. 이 시나리오대로라면 칩의 전력 소비량은 거의 같고, 디스플레이와 무선 주파도 전력을 소비하는 요인이 된다.

아마도 약간의 개선이 이루어진다면 대기 모드가 될 것이고, 3nm 공정으로 만들어지면서 대기 모드 전력 소비량이 크게 개선될 것이다.
 

CPU 성능과 기능 개선

2021년 ARM은 v9 아키텍처를 출시했다. 당시에는 A16 칩이 새로운 v9 명령어세트를 지원하는 첫번째 애플 칩일 것이라고 예측했다. 그러나 애플은 자체 확장 기능이 많은 ARM v8.6을 지원한다. 올해 출시될 아이폰 15는 트랜지스터가 늘어나면서 ARM v9를 지원할 것으로 보인다.

ARM v9 명령어 세트와 아키텍처의 이점은 무엇일까? 애플은 자체 CPU 코어를 설계하고 v9 아키텍처가 약속하는 성능적 이점은 애플 설계와 ARM 확장에서 이미 실현되었다. 실제로 스냅드래곤 8 1세대는 ARM v9를 지원하는 ARM의 코텍스-X2 코어를 탑재한 최초의 고급 스마트폰 CPU였지만, 애플 A15칩의 성능은 스냅드래곤 8 1세대를 뛰어넘었다.

ARM v9가 ARM v8보다 성능을 30% 향상했다는 주장이 많다. 그러나 이 경우는 ARM 자체 코어 설계일 때의 이야기이고 사용자 지정 확장은 고려하지 않은 주장이다. 애플은 완전히 다른 운동장에 있다. 아마도 A17의 CPU 성능이 30%나 개선되지는 않을 것이다.

A17에 쓰일 CPU 코어의 속도가 빨라질 것은 거의 확실하다. 그러나 ARM v9 때문만은 아니다. CPU 코어 성능은 명령어 세트, 분기 예측, 명령어 해독, 실행 단위, 캐시 구조와 크기, 클럭 속도 등의 수많은 요소에 영향을 받는다.

일반적인 코어 수를 보자면 A11 바이오닉 이후 계속된 효율 코어 4개, 성능 코어 2개 구성을 넘어설 이유가 많지 않다. 아마도 이 구성의 성능은 15%가량 개선될 것이다.
 

지난 몇 년간의 CPU 성능 향상 폭을 바탕으로 예상해 보면 긱벤치 5 단일 코어 점수는 2,100~2,200 사이, 멀티 코어 점수는 6,000 초반일 것으로 보인다. 긱벤치 6이 출시된 지 얼마되지 않아 예측을 정확하게 할 수 있는 누적된 다년간의 벤치마크 데이터는 없지만, 단일 코어 점수는 2,800 이상, 멀티 코어 점수는 7,300 이상이 적절하다. 최근 싱글 코어 점수 3,019점, 멀티 코어 점수 7,860점이라고 주장하는 유출 정보가 있었는데 가능성이 없지는 않다. 애플이 A14 칩 때 7nm 공정에서 5nm로 공정을 업그레이드한 당시에도 코어 점수가 예상보다 높았다. 그러나 이 주장에서 말하는 점수는 완전히 근거가 없다.
 

다른 프로세서와 비교해보면 A17의 예상 싱글 코어 점수는 라이젠 최신 하이엔드 데스크톱 CPU와 13세대 코어 i7 인텔 프로세서와 비슷하고, 멀티 코어 점수는 훨씬 낮다. 데스크톱 프로세서의 고성능 코어는 12개 이상이지만 A17의 고성능 코어는 단 2개이므로 당연하다. A16 칩은 이미 최상위 스냅드래곤 8 2세대를 탑재한 안드로이드 스마트폰보다 성능이 높고, A17칩으로 격차를 더 벌어질 것 같다.

지난 몇 년 동안의 교훈이 있다면 애플 CPU 성능 개선이 매우 꾸준히 이루어지고 있다는 것이다. 아키텍처가 크게 변화하거나 제조 공정이 비약적으로 업그레이드되는 해에 싱글 코어와 멀티 코어 성능은 거의 직선에 가깝게 개선된다. 올해에도 비슷한 폭의 개선을 기대하는 것이 합리적인 추측이다.

GPU 성능과 기능

GPU는 A17에서 아주 흥미로울 가능성이 많은 부문이다. 새로운 A 칩이 출시될 때마다 GPU 성능은 평균 20%가량 향상됐지만 그 폭은 사실 15%부터 30%까지 조금씩 달랐다. GPU의 전반적 기능 세트는 크게 변하지 않았다. 속도도 빨라지고, 가변 래스터화 속도, GPU 컴퓨팅용 SIMD 개선 등 새로운 기능이 추가됐지만 레이 트레이싱 같은 중요한 가속 기술에서 애플은 데스크톱 GPU보다 몇 년은 뒤처져 있다.

A16에 새로운 GPU 아키텍처가 적용될 예정이었으나 제때 준비되지 않아 A15와 같은 GPU를 탑재했다는 소문도 있었다(하지만 메모리 대역폭이 넓어지면 성능은 향상된다). 사실인지는 확실치 않으나 애플은 개발자용 메탈(Metal) 기능 세트를 A16 포함으로 업데이트하지 않았다.

A17칩을 위해서는 GPU 아키텍처 업데이트가 출격할 가능성이 높다고 생각한다. 레이 트레이싱 가속 같은 기능은 아이폰에는 중요도가 낮을 수도 있지만, 새로운 GPU 아키텍처는 미래의 맥 프로세서 M 시리즈로 가는 길을 찾을 것이다. M 시리즈는 레이 트레이싱 가속 같은 고급 GPU 기능이 없어 트렌드에 뒤처지고 있다.

연산에 GPU를 사용하는 현재의 3D 게임과 애플리케이션에서도 성능 개선을 기대해 본다. 아키텍처가 변경되면 속도도 변화할 가능성이 있다. 어떤 것은 훨씬 빨라질 것이고 다른 것은 상대적으로 그렇지 않을 것이다.
 

약 20%의 속도 개선 폭이 유지된다면 긱벤치 5기준으로 GPU 연산 점수는 1만 8,000점이 넘는다. 이 벤치마크는 3D 그래픽 렌더링 역량이 아니라 GPU 연산 성능을 측정하는 것이라는 점을 유념해야 한다.
 

3D 그래픽에 있어 20%의 속도 개선은 현대 3D마크 와일드 라이프 언리미티드(3DMark Wild Life Unlimited) 테스트 결과 88fps 수준이 된다. A16은 74fps였다. 스냅드래곤 8 2세대는 이 테스트에서(그리고 다른 3D 그래픽 테스트에서도 마찬가지로) A16보다 높은 점수를 얻었다. 그러나 20% 속도가 개선되면 애플이 스냅드래곤 8 2세대보다 조금 앞서게 된다.

CPU 개선과 비교하면 GPU 개선은 해마다 변하는 경향이 있다. A15에서 A16으로 바뀔 때의 변화 폭은 적었다. 클럭 속도와 메모리 대역폭이 아주 약간 좋아졌을 뿐이다. 올해 새로운 GPU 아키텍처와 새로운 제조 공정 개선이라는 두 가지 변화가 있다면 성능 개선 폭이 훨씬 클 것이다.

GPU는 보통 미디어 엔진과 어느 정도 관련이 있으므로 AV1 형식의 인코딩과 디코딩을 가속화하는 하드웨어를 기대해 볼 만하다. 향후에도 애플은 H.264, HEVC, 프로레스(ProRes) 포맷용 인코딩 성능과 전력 효율성에 계속 투자할 것으로 예상한다.
 

ML과 AI에 계속 집중하다

애플은 머신러닝과 AI에 큰 관심을 보인다. ChatGPT, 미드저니(Midjourney), 스테이블 디퓨전(Stable Diffusion) 같은 프로젝트가 주도하는 생성형 AI 경쟁에서 다른 업체만큼 투자하고 있지는 않지만, 여러 해 동안 운영체제와 앱 전반에 AI와 머신러닝을 적용했다. 사진에서 텍스트를 선택하는 등의 새로운 기능을 항상 도입하고, 기계 학습을 위한 가속기인 뉴럴 엔진에도 많은 기여를 하고 있다.

A16 칩에서 애플은 뉴럴 엔진에 큰 변화를 주지 않았다. 여전히 코어는 16개이고, 초당 연산은 17조번으로 A15 뉴럴 엔진보다 8%정도 빠르다. 단순히 클럭 속도가 빨라졌다고 말하기에는 개선 폭이 작다. 사실 더 많은 개선을 기대했었다.

3nm 공정으로 트랜지스터를 대폭 늘릴 수 있으므로 아마도 뉴럴 엔진은 크게 개선될 것이다. 코어를 더 늘리거나 코어 작동 방식의 설계를 크게 변경할 수도 있고, 둘 다일 수도 있다. “초당 수조 번의 연산”이 과연 가장 좋은 성능 측정 방식인지는 의견이 갈리겠지만, 최소 연산 속도는 초당 20조 번 이상이 될 것이 거의 확실해 보인다.
 

더 빠른 LPDDR5x RAM

A15칩에서 LPDDR4x를 쓰던 애플은 A16에 와서 LPDDR5로 RAM을 개선했다. 스냅드래곤 8 2세대 같은 최상위 칩이 LPDDR5x를 써서 같은 전력을 쓰면서도 대역폭을 33% 개선하고 메모리 지연율을 낮췄기 때문이다.

메모리 대역폭이 더 높으면 특히 전력을 적게 사용할 때 장점이 많다. 가장 확실한 수혜자는 메모리 대역폭의 한계를 뛰어넘는 방식으로 CPU와 GPU에 부하를 주는 하이엔드 3D 게임이다.

새로운 메모리 표준을 가장 빨리 도입하는 업체는 아니지만, 애플은 메모리 대역폭과 대용량 캐시를 우선으로 하고, 단순히 더 빨리 처리하는 것보다 더 빠르게 이동하는 것의 이점을 분명히 인식하고 있는 것 같다. 현재로서 A17에 LPDDR5x RAM이 추가될 확률은 50%다.
 

올해까지는 스냅드래곤 모뎀 쓴다

애플은 내년부터 자체 5G 모뎀을 사용할 예정이다. 아마도 봄에 아이폰 SE를 출시하면서부터, 순조롭다면 가을 아이폰 16 라인업에서 5G 모뎀을 탑재할 것으로 보인다.

아이폰 15에 탑재할(최소 프로 모델) 모뎀은 스냅드래곤 X70이 될 것으로 보인다. X70의 최상위 기능 대부분이 아이폰 14 프로의 X65와 동일하지만, 연결 상태를 지속적으로 모니터링하고 최적화하는 작은 통합 AI 프로세서가 있어서 더 안정적이고 최적화된 연결을 제공할 것으로 보인다. 실제 속도나 배터리 수명 역시 함께 개선될 것으로 보는 것이 타당하다.
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