저전력 설계를 충당하기 위해 FIVR를 제거

　Intel의 새로운 CPU "Skylake (스카이 레이크)」에서는 절전 기능의 중심이었다"FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator : 통합 전압 레귤레이터) "가 제외됐다. 14nm 세대의 메인 스트림 CPU에서는 다음 "Kabylake (캬비레이쿠)」에서도 FIVR는 탑재되지 않을 전망이다. FIVR가 다시 도입되는 것은 그 다음 "Icelake (아이스 레이크)」이후라고 알려져있다.

　Haswell (하즈웨루)에 도입되어 그토록 우수한 전력 효율성을 보였다 FIVR을 왜 Skylake에서 분리 한 것인가. Intel은 지난달 개최 된 기술 컨퍼런스 「Intel Developer Forum (IDF) '에서 그 이유를 밝혔다.

　Intel의 설계자는 IDF 세션 후 대화에서 "FIVR를 분리 한 이유는 Skylake는 저전력 동작에 초점을 맞춘 때문이다. 저전력에서 작동 시키려고하면 FIVR 적합하지 않았다. 그것은 Skylake에서 FIVR를 분리 한 가장 큰 이유 "라고 설명했다.

　Skylake 아키텍처의 큰 포인트는 더 낮은 전력으로 CPU 아키텍처를 이동 한 것이다. Skylake 세대에서는 4.5W의 프로세서 TDP (Thermal Design Power : 열 설계 전력) 영역까지 커버한다."Skylake-Y '가이 범위에 따라 과거라면 Atom 계열 코어가 커버하고 있던 같은 전력 영역이다.

　Skylake-Y 클래스의 TDP 범위의 제품을 추가함으로써 저전력가 Skylake 중요한 설계 요소가되었다. 데스크톱 클래스에서 태블릿까지의 폭 넓은 전력 범위를 커버하는 설계가 필요하며,이를 위해 FIVR이 희생되었다. 즉, Skylake의 설계 컨셉에 맞지 않았던 것이다.

설계 시작시와 실제 Skylake의 사양. TDP 범위는 x3에서 x20로 확산보다 저전력에게 차인 것을 알 수있다

Skylake 전압 일반

왼쪽이 Skylake, 오른쪽이 Haswell의 전압 레귤레이터 아키텍처 
PDF 판은 이쪽

낮은 전류량시 효율이 현저하게 떨어지는 Intel의 FIVR

　왜 저전력는 FIVR가 적합하지 않을 것인가. 그것은 변환 효율이 크게 떨어지기 때문이다. 있는 CPU 제조사에서 절전 기술을 담당하는 아키텍트는 다음과 같이 말한다.

　"Intel이 Skylake에서 통합 전압 레귤레이터 (IVR)을 제거한 이유는 명확하다 .IVR가 저전력 동작 점에서는 효율적으로 작동 할 수 없기 때문이다.

　IVR을 낮은 비용으로 만들려고하면 다이 (반도체 본체)의 외부에 별도의 인덕터를 갖추게된다. Intel의 경우는 Haswell에서 패키지 추적 인덕터를 도입했다. 이것은 매우 인덕턴스 값이 낮은 인덕터이다.

　이러한 작은 용량의 인덕터를 고효율로 사용하기 위해서는, Intel은 전압 변환의 주파수를 매우 높게 유지해야한다. 예를 들어, 100MHz 등 스위칭 주파수 (Haswell은 140MHz) 것이다. 전압 변환 주파수가 높으면 인덕턴스가 작은 공간에서도 효율적으로 작동 할 수 있기 때문이다.

　하지만, 저전력으로 구동하는 경우에, 이것은 잘 작동하지 않게된다. 느 1 ~ 2A 이하의 전류량은 전압 전환이 어려워 질 것이다. 실제로 낮은 전류량의 동작 레벨에서는 그들의 IVR은 매우 비효율적이다. 저전력 구동을 중심으로 CPU를 설계하면 Intel의 현재 IVR은 효율적이지 않다. 이것이 가장 큰 이유이다. "

　Intel의 FIVR는 90 %의 높은 전압 레귤레이션 효율을 자랑하고있다. 그러나 이것은 최적의로드 전류시의 값이다. 사실 대상으로하는 전류량보다 떨어지면 FIVR의 전력 효율은 급격히 저하된다.이것은 Intel이 과거에 발표 한 논문 등에서도 분명있다.

Haswell 패키지 추적 인덕터

매우 지연 시간이 짧은 Haswell에서의 전압 전환

다양한로드 전류를 고효율로 커버하는 VR 설계의 어려움

　아래의 슬라이드는 작년 (2014 년)의 ISSCC (IEEE International Solid-State Circuits Conference)에서 Intel이 보여준 FIVR의 효율성 슬라이드이다. 이것을 보면로드 전류가 6A를 자른 근처에서 효율이 저하되고, 2A 이하에서는 급격히 떨어지는 것을 알 수있다. 특히 전압 전환 페이즈 수가 증가하면 효율 저하가 현저하다. 즉, 코어 당 2A 이하에서 작동하도록 낮은 전류량의 CPU에서 다단계로 전압을 전환하면 FIVR의 효율성 문제가 될 정도로 저하되어 버린다.

FIVR의 효율성

　Intel은 폭 넓은 범위를 커버하기 위해 평면 에피 셴시 기술을 도입하고있는 것이지만, Skylake-Y에 요구 된 범위는 그 범위를 초과 한 것으로 보인다. 낮은 전류량시에 불필요한 전압 변환 손실이 발생하는 저전력을위한 설계와 모순된다.

　물론 이산 VR (전압 조정기)를 사용하는 경우는 낮은 전류로 최적화 된 제품을 사용할 수있다. Intel도 Y 프로세서 만 FIVR을 사용하지 않는 설계 할 수있는 가능성은있다. 그러나 Skylake-Y 만 완전히 다른 설계하면 설계 시간과 비용이 늘어나 버린다. 이러한 사정에서 FIVR는 현세대에서 제외 된 것으로 보인다.

서버에 적합하다 FIVR

　Intel이 FIVR를 다시 도입한다고하면 그것은 어떤 아키텍처 될까. 또한 어떤 전력 레인지의 CPU에 도입 할 것인가. 있는 CPU 제조사의 설계자는 다음과 같이 지적한다.

　"IVR은 낮은 전류량시 효율성의 문제뿐만 아니라, TDP와 패키지의 문제가있다 .CPU에 열원을 추가 패키지를 더 복잡하게한다. 따라서 다이가 작은 CPU와 저가형 CPU 에 적합하지 않을 것이다. 개인적인 생각으로는, IVR 서버 CPU 제품에 적합하다고 생각한다. 풀로드 전류량에 효율성을 높게 유지하기 쉽다. 패키지도 더 비싼 것을 사용한다. 서버 은 IVR에 적합 용도이다. "

　다이가 작아 로직 부분의 면적 비율이 높은 칩은 전력 밀도가 높고되기 쉽다. 따라서 열원을 다이 늘리면 냉각이 점점 어려워진다. 또한 인덕터를 온 패키지에 통합하게되면 반드시 패키지가 복잡해져 비용 증가를 초래한다. 따라서 다이가 작고 비용이 낮은 소자는 FIVR 같은 기술의 도입은 경제적으로 부응하는지 여부가 어렵다.

　반면 서버 CPU 나 Knights 시리즈와 같은 매니 코어 CPU는 FIVR의 효율이 90 % 이상 풀로드에서 작동하는 시간이 길다. 게다가 CPU 코어 수가 많기 때문에 핵심 개별 전압 변환에 의한 절전 효과가 크다. 서버 CPU의 경우 캐시가 많기 때문에 전력 밀도의 문제도 적다. 더 큰 CPU에서 FIVR를 도입 할 가능성이있다. 사실, Intel의 FIVR 연구는 초기에는 서버 용도를 전제로 시작된다.

　는 Icelake 같은 메인 스트림 CPU는 어떤가.

Intel이 서버로 연구 제작 한 통합 전압 레귤레이터 칩

인덕터의 온다이 통합 Intel의 시야에

　Intel의 현재 FIVR는 다이 근처에 인덕터를 배치해야 할 제약이다. 따라서 Intel은 "패키지 추적 인덕터 (Package Trace Inductor) '라고 부르는, CPU의 패키지 서브 스트레이트에 에어 코어 인덕터 (Air Core Inductor : 공심 인덕터)를 생성하는 기술을 사용했다. 외부 인덕터는 패키지를 복잡하게하고 비용을 끌어 올리는 원인이되고있다. 또한 소음 문제도 발생한다.

　이 문제의 해결책으로 가장 바람직한 것은, 온칩 (On-Die) 인덕터도 통합 해 버리는 것이다.

　Intel은이를위한 파워 인덕터 기술을 수년에 걸쳐 연구 해왔다. 이는 다이의 최상층에 인덕터를 생산하는 기술로, 스탠다드 CMOS 백엔드 프로세스 (Back-End-of-Line : BEOL)와 호환되며 일반 CPU에 실을 수 있다고한다. 강자성 재료를 CMOS 프로세스에 추가하여 최상층의 구리 배선의 인덕턴스를 올리고 노이즈를 차폐하는 방법을 취하고있다. 아래의 슬라이드를 보면, CMOS 프로세스의 배선층에 굵은 구리 와이어가 강자성의 얇은 필름으로 싸서 같은 형상으로되어있다.

일반 인덕터

자성 재료를 사용한 Intel의 온다이 (On-Die) 통합 인덕터

　이 기술을 도입하면보다 완벽한 FIVR을 실현할 수있는 것이지만, 역시 문제가 있다고한다. 비용과 위험이다.

　"자성 재료를 사용한 인덕터는 매우 매력적이다. 그러나 문제는 비용이다. 신 재료의 도입은 비용이 든다. 또한 수율면에서도 위험이 늘어난다"고있는 CPU 설계자는 지적한다.

　현재는 Intel이 온다이 인덕터를 Icelake 세대에 도입할지 여부는 알 수 없다. 그러나 Intel의 연구 개발 방향은 그쪽을 향해있는 것만은 확실하다.