By WILL KNIGHT, WIRED US

실질적인 목적으로 보았을 때, 애플 M1 울트라(M1 Ultra)는 그 자체가 단일하면서도 불가능할 정도로 매우 거대한 실리콘 역할을 한다. 애플이 지금까지 출시한 칩 중 가장 강력한 성능을 자랑하는 M1 울트라는 128GB 상당의 공용 메모리와 연결된 트랜지스터 1,140억 개를 수백 개의 논리, 그래픽, 인공지능(AI) 전용 프로세싱 코어에 내장됐다. 그러나 M1 울트라는 사실 애플이 개발한 괴물급 성능을 갖춘 칩이며, M1 맥스(M1 Max) 칩 두 개를 연결 통로 역할을 하는 실리콘 인터페이스로 고정한 채로 구성됐다. 애플이 선보인 영리한 M1 울트라 설계는 두 개의 칩이 결합된 새로운 칩 전체가 사실상 하나의 제품처럼 보이도록 한다.

트랜지스터 크기 축소가 더 어려워지면서 각각의 칩 용량을 더 크게 만드는 것이 어려워지자 칩 제조사는 부품을 함께 조립해 처리 전력을 강화한다. 레고 조립과 같은 접근방식은 컴퓨터 업계가 진화를 달성하기 위한 핵심이다. 애플 M1 울트라는 새로운 칩 제조 기법으로 성능을 대대적으로 강화할 수 있다고 말한다.

팀 밀렛(Tim Millet) 애플 하드웨어 기술 부사장은 “M1 울트라로 선보인 칩 제조 기술은 적절한 시점에 등장했다. 등장 시점 측면에서 볼 때, 무어의 법칙이 적용한다고 볼 수 있다”라며, 인텔 공동 창립자 고든 무어(Gordon Moore)의 이름을 따른 칩 성능 관련 수십 년 전에 등장한 격언을 언급했다. 무어의 법칙은 칩의 트랜지스터 수를 기준으로 측정한 칩 성능이 18개월 간격으로 두 배 향상된다는 이론을 주장한다.

수십 년 동안 컴퓨터 칩 업계와 업계의 경제 발전을 견인한 무어의 법칙이 더는 유효하지 않다는 사실을 누구나 알고 있다. 일부 비정상적인 수준의 복잡함과 비싼 엔지니어링 기법이 실리콘 칩에 새기는 부품 크기를 더 축소하도록 돕는다고 약속한다. 하지만 엔지니어는 수십억 분의 1m 단위에 이르는 부품 크기 축소 달성 방법이라는 물리적 한계에 도달했다. 무어의 법칙이 구시대적 이론이라 하더라도 컴퓨터 칩의 중요성이 그 어느 때보다 더 커지면서 보편화되었다. 첨단 실리콘은 인공지능(AI)과 5G 등 첨단 기술의 결정적인 요소이며, 코로나19가 촉발한 공급망 붕괴 사태와 함께 지금 당장 반도체가 자동차 제조 업계 등 여러 업계에 매우 중요하다는 사실을 부각했다.

새로운 세대의 실리콘이 조금 더 발전하자 갈수록 많은 기업이 성능 향상을 위해 자체 개발 칩을 설계하는 방안으로 시선을 돌렸다. 애플은 2010년부터 커스텀 실리콘을 제작해 아이폰과 아이패드에 탑재했다. 그리고 2020년, 맥과 맥북용 자체 제작 커스텀 실리콘 칩 설계 소식을 발표하면서 인텔 칩 채택을 중단했다. 애플은 스마트폰 칩 자체 개발 작업을 스마트폰 칩과 같은 구조로 구성됐으며, 영국 기업 ARM의 사용 허가권을 받은 데스크톱용 칩 개발에도 최대한 활용했다. 애플은 자체 실리콘 칩을 제작하면서 일반적으로 분리된 칩으로 가동할 수 있는 기능을 한 가지 시스템 온 칩(SoC)에 칩으로 통합하면서 제품 전체를 제어하고 소프트웨어와 하드웨어를 함께 맞춤 제작한다. 이와 같은 수준의 제어 능력이 핵심이다.
 
2005년, 미국 네트워킹 기업 브로케이드(Brocade)에서 애플로 이직한 칩 업계 전문가인 밀렛 부사장은 “칩 제조 업계 전체가 큰 어려움을 직면한 사실을 깨닫게 되었다”라고 말했다. 이어, 밀렛 부사장은 애플이 인텔을 비롯해 컴퓨터 제조사에 판매할 칩 설계와 제작 작업을 하는 기업과 달리 특정 제품용 칩을 소프트웨어와 하드웨어, 산업 디자인과 동시에 제작할 수 있다고 설명했다.

애플이 2021년 10월, M1 울트라 이전에 등장한 칩인 M1 맥스를 공개했을 당시 모든 구체적인 상황을 주시하는 일부 관측통은 다음과 같이 이상한 점을 알아차렸다. 한 가지 측면과 함께 길게 늘어난 실리콘이 아무 역할도 하지 않는다는 점이다. 의문의 실리콘은 고속 상호연결성의 일부분이다. 실리콘은 애플이 ‘울트라퓨전(UltraFusion)’이라고 칭하는 밀도가 높은 정교한 연결 기능을 한다. 울트라퓨전은 M1 울트라 칩에 탑재된 두 개의 M1 맥스 칩이 되었다.

애플이 제품 사용에 능숙한 전문 사용자를 위해 ‘맥 스튜디오(Mac Studio)’라는 이름으로 출시된 신형 데스크톱 제작을 시작했을 당시 칩 개발팀은 무어의 법칙에만 의존해 성능을 대폭 강화할 수 있다고 확신하지 못했다. 그러나 애플 칩 설계를 처음 생산했던 대만 칩 제조사 TSMC는 고속 상호연결성을 이용해 실리콘 칩을 연결하는 기술을 완벽히 선보이기 시작했다. 이는 지난 몇 년간 등장한 기술이기도 하지만, 이전에는 주로 다른 역할을 하는 코어에 결합했다. 애플은 TSMC가 선보인 칩 생산 기법을 맞춤 적용하여 M1 맥스의 수수께끼와 같은 인터페이스를 제작하면서 고성능 칩 두 개를 연결했다.

밀렛 부사장은 맥 스튜디오에 대해 “울트라퓨전은 연산 처리 성능을 최대한 채울 수 있는 수단을 제공했다”라고 언급했다. M1 울트라 벤치마크 테스트 결과, 지금까지 시장에 등장한 가장 빠른 속도를 자랑하는 고성능 컴퓨터 칩이자 그래픽 프로세서와의 경쟁력을 지닌 제품이라는 사실이 입증됐다. 밀렛 부사장은 개발자가 필요한 소프트웨어 라이브러리를 모색하고 있어, AI 애플리케이션 실행 가능성을 포함한 M1 울트라의 성능 일부는 시간이 지나면서 더 분명하게 드러날 것이라고 말했다.

M1 울트라는 더 많은 모듈러 칩을 향한 업계의 폭넓은 변화의 일부분에 해당한다. 인텔은 이른바 칩릿(chiplet)이라고 칭하는 다양한 실리콘 조각이 다른 조각 위에 쌓도록 하면서 처음부터 재설계할 필요가 없는 커스텀 디자인을 생성한다. 팻 겔싱어(Pat Gelsinger) 인텔 CEO도 M1 울트라의 생산 기법이 대대적인 칩 완성 계획 중 하나로 첨단 패키징 기법임을 확인했다. 인텔 경쟁사인 AMD는 이미 TSMC의 3D 스태킹 기술을 이용해 서버 수준과 고가 PC 칩을 제작한다. 2022년 4월, 인텔과 AMD, 삼성, TSMC, ARM은 칩릿 설계 새로운 표준 작업 컨소시엄을 개최한다고 발표했다. M1 울트라는 더 과감한 접근 방식을 취해 칩릿 개념을 이용해 칩 전체를 연결한다.

M1 울트라는 전반적인 처리 성능을 강화할 것이다. 최신 칩 구성요소를 연구하는 헤수스 델 아라모(Jesús del Alamo) MIT 교수는 “무어의 법칙 정의 방식에 따라 M1 울트라의 접근방식은 한 가지 칩에 적합한 것보다 더 많은 트랜지스터를 적용한 시스템을 개발할 수 있다”라고 설명했다. 이어, 첨단 칩 제조 부분에서 TSMC가 성능 향상을 위한 새로운 방법을 모색한다는 점이 중요하다고 덧붙여 전했다. 그는 “미래의 진전을 모색하는 칩 제조 업계가 무어의 법칙은 물론이고 지금까지 하나로 등장하지 않은 다양한 기술을 개발할 시스템을 생성할 수 있다는 사실이 분명하다”라고 말했다.

칩 제조 업계 뉴스레터인 마이크로프로세서 리포트(Microprocessor Report) 저자 린리 그웬납(Linley Gwennap)은 “다른 기업도 비슷한 행보를 보이고 있어, 칩 제조 업계가 칩릿 디자인을 더 적극적으로 추진하는 추세를 분명히 관측했다”라고 전했다.

모듈러 칩 제조 가격 인상은 미래에 출시될 기기 성능 향상에도 도움이 될 것이다. 그러나 칩 제조 경제에도 변화를 가져올 것이다. 무어의 법칙이 없다면, 트랜지스터를 두 배로 늘린 칩 가격도 두 배 인상될 것이다. 미시간대학교 전자공학 전문가인 토드 오스틴(Todd Austin)은 “칩릿을 적용한다면, 기본 칩을 300달러, 트랜지스터가 두 배 증가한 칩은 600달러, 두 배 더 증가한 칩은 1,200달러에 판매할 수 있을 것이다”라고 말했다. 기본적으로 매년 같은 가격에 칩 속도를 높이는 대신 칩릿은 성능 강화와 함께 가격 인상이라는 결과를 가져올 수 있다. 오스틴은 칩릿을 활용한 접근방식이 지금도 제법 새로운 접근방식이라고 언급하며, 칩 설계에 복잡함을 더하면서 가격이 함께 인상될 수 있다고 설명했다.

M1 울트라는 칩릿 접근방식이라는 창의적인 방식을 채택한 덕분에 시장에서 가장 강력한 마력을 지닌 칩이라는 사실을 입증해냈다. 또한, M1 울트라는 애플이 지난 몇 년간 아이폰 성능을 강화했듯이 맥 성능 강화에 이용할 큰 이점을 제공한다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
How Apple’s Monster M1 Ultra Chip Keeps Moore’s Law Alive