네할렘 (마이크로아키텍처)

네할렘 마이크로아키텍처(Nehalem Microarchitecture)는 인텔의 코어 마이크로아키텍처를 잇는 9세대 x86/x64 마이크로아키텍처의 이름이다.^[1]

네할렘 마아크로아키텍처 기반의 CPU는 데스크톱의 하이엔드급에서 인텔 코어 i7 프로세서라는 이름으로 2008년 11월 18일에 처음으로 출시되었고, 서버에서는 대한민국에서 2009년 3월 31일에 인텔 제온 5500 프로세서 계열이라는 이름으로 출시되었다.^[2] 이후 데스크톱용 보급형 프로세서인 코어 i5, 코어 i3와 노트북용으로는 2009년 9월에 출시되었다.^[3] 처음으로 네할렘 마이크로아키텍처 기반 제온프로세서를 사용한 컴퓨터는 애플 맥 프로 워크스테이션이였으며 2009년 3월3일에 발표되었다.^[4] 대형 서버용 네할렘 마이크로아키텍처 기반의 제온 프로세서는 인텔 제온 7500 계열 프로세서의 이름으로 2010년 3월 31일에 출시되었다.^[5]

네할렘 기반 프로세서는 펜린과 같은 45 nm 공정 기술을 사용한다. 인텔의 연구소가 위치한 미국의 오리건주에 있는 도시 이름인 네헤일럼시에서 따왔으며, 이 이름은 미국 원주민 부족의 이름이기도 하다.^[6] 처음 이 프로젝트 이름은 넷버스트 마이크로아키텍처기반의 CPU의 개발 코드명이었지만 라인업상 앞에 있던 CPU의 코드명인 테자스가 취소되면서 같이 취소되었다가 후에는 전혀 다른 마이크로아키텍처 이름으로 다시 사용되었다.

네할렘 마이크로아키텍처의 내부 구조

네할렘 마이크로아키텍처는 이전의 전혀 새로운 마이크로아키텍처로 코어 마이크로아키텍처보다 33%가량 더 많은 Micro-ops를 실행할 수 있고 높은 클록과 더 높은 에너지 효율성을 제공한다.^[7]

개요

기존 인텔의 쿼드코어의 경우에는 하나의 CPU에 두 개의 다이가 존재했지만, 네할렘의 경우에는 모놀리딕으로 설계되어 하나의 다이에 4개의 코어가 집적되게 된다. 또한 이전의 넷버스트 마이크로아키텍처에서 사용하던 스레드를 2배로 처리하는 하이퍼스레딩 기술이 네할렘에 다시 적용되어 4개의 코어가 하나의 CPU에 집적된 쿼드코어의 경우에는 운영체제 상에서는 옥타코어인 것처럼 최대 8개의 스레드를 동시에 처리할 수 있게 되어 멀티스레딩 환경에서 코어 마이크로아키텍처와 비교해 성능이 월등히 향상되었다.^[8]

특히 가장 커다란 성능 향상에 기여를 하는 변화는 메모리 컨트롤러 내장과 퀵패스 인터커넥트 기술이다. 멀티 코어로 진입하면서 병목현상이 발생하는 주요 지점이었던 메모리 부분을 메모리 컨트롤러를 CPU 내에 내장하고 퀵패스 인터커넥트 기술로 통신을 하게 되어, 메모리 대역폭이 향상되고 병목 현상이 획기적으로 줄었다. DDR3 SDRAM을 사용하는 2~4채널 메모리 컨트롤러가 CPU 내에 집적되었으며, 이에 맞게 FSB를 대신할 퀵패스 인터커넥트라는 새로운 전송 프로토콜을 개발하여 사용하였다. 이러한 플랫폼 아키텍처의 혁신으로 기존 코어 마이크로아키텍처와 비교했을 때 메모리 읽기 속도의 경우에는 최대 약 4배의 속도 향상을 보여준다.

기술

네할렘 마이크로아키텍처는 다양한 용도에 따라 자유롭게 제품을 만들 수 있도록 확장성이 뛰어나도록 설계가 되어, 인텔이 1995년에 선보인 펜티엄 프로에서의 변화만큼이나 의미가 있다.

네할렘의 제원 :

• 듀얼코어, 쿼드코어 또는 옥타코어로써, 모든 코어를 하나의 다이에 집적시킴.^[9]
  • 쿼드코어 기준 7억 3천 백만 개의 트랜지스터 집적
• 45 나노미터 공정 기술로 시작하여 나중 웨스트미어 마이크로아키텍처에서 32 나노미터로 전환
• CPU 내에 노트북과 데스트탑 에서는 2개, 서버에서는 최대 3개 채널의 DDR3 SDRAM을 지원하는 메모리 콘트롤러 내장
• GPU 통합 (클락데일)
• 기존의 프론트 사이드 버스를 대체하는 새로운 퀵패스 인터커넥트 기술
• PCI 익스프레스 및 DMI 버스를 CPU에 내장
• 코어당 2개의 스레드 처리가 가능한 하이퍼스레딩 기술 지원
• 인텔 스마트 캐시 기술
  • 32 KiB 코어당 독립 L1 명령어 캐시, 32 KiB 코어당 독립 L1 데이터 캐시
  • 256 KiB의 코어당 독립 L2 캐시. 이전 코어 마이크로아키텍처 대비 추가되었음
  • 4-12 MiB 공유 L3 캐시
• 프로세서의 소비 전력이 열 설계 전력(TDP) 이내일 때 코어의 동작 주파수를 기준 클럭보다도 높게 증가시킴으로써 성능을 향상시키는 인텔 터보 부스트 기술(Intel Turbo Boost Technology)
• 콘로보다 33% 더 많은 micro-ops 실행^[7]
• 2차 분기 예측 및 2차 변환 색인 버퍼(TLB, Translation Lookaside Buffer)^[7]
• CPU 코어 및 L3 캐시등을 쉽게 추가 및 변경하고 서버 및 데스크톱, 노트북등 다양한 제품 개발을 위한 모듈화 블록 설계.

성능 및 소비전력 향상

네할렘은 에너지 효율성을 극대화하면서 성능 향상을 목표로 계발되었다. 펜린 대비 네할렘의 특징은 다음과 같다.

• 동일한 소비전력에서 싱글 스레드 애플리케이션인 경우 1.1배에서 1.25배, 멀티 스레드 애플리케이션인 경우 1.2배에서 2배 이상의 성능 향상
• 30% 낮은 소비전력으로 동일 성능 발휘
• 코어만의 성능을 비교할 때 동일 클럭대비 15%-20% 성능 향상 제공
• AnandTech에 의하면 “10% 소비전력 증가로 20–30% 전반적인 성능 향상이 예상”된다고 함.^[10]

네할렘 마이크로아키텍처 기반 제온 프로세서는 인텔 제온 X5365 프로세서 3.0GHz와 비교시 SPECint_rate2006에서 1.6배, SPECfp_rate_2006에서 2.4배의 높은 성능을 보인다고 PC Watch는 전한다.^[11] 7개의 새로운 SIMD 명령어가 추가된 SSE 4.2를 지원하는 첫 프로세서이다. SSE 4.2는 코어 2 계열부터 지원된다.

웨스트미어

웨스트미어(Westmere)는 네할렘의 후속 프로세서로서 공정 기술을 45 nm에서 32 nm로 축소시켰다. 그렇지만 동일한 네할렘 마이크로아키텍처를 사용한다. 첫 웨스트미어 기반 프로세서는 2010년 1월 7일에 출시된 코어 i3, 코어 i5와 듀얼코어 모바일 코어 i7 계열 프로세서이다.

웨스트미어의 기능과 향상된 것들은 다음과 같다.

• 6 코어 프로세서^[12]
• 3배 이상의 AES(Advanced Encryption Standard) 암호화/복호화 성능을 제공하는 새로운 명령어 집합, AES-NI(Advanced Encryption Standard-New Instructions)^[13]
  • 7개의 새로운 AES 명령어 집합(AES-NI)를 제공. AES알고리즘 처리에 사용됨. 이 명령어들은 프로세서가 하드웨어적으로 암호화의 수행을 가속하여 더 빠른 실행을 할 뿐만 아니라 소프트웨어적인 공격으로부터 보호를 하게 된다.
• 노트북, 데스크톱용 프로세서는 그래픽 처리 엔진을 내장
• 가상화 대기시간을 줄임으로써 가상화 성능 향상^[14]
• 새로운 가상화 기능: “VMX 비제한 모드 지원”. 이것은 16비트 게스트 OS가 실행되도록 허용(real mode and big real mode)
• 1GiB 크기의 아주 커다란 페이지 지원

코드 이름

네할렘은 코어 마이크로아키텍처때와 같이 각 시장에 맞게 하나의 시장 세그먼트에 하나씩 총 네개의 각기 다른 프로세서 패키지가 있다. 8개 코어가 있는 하이엔드급의 프로세서는 MP 서버에만 있으며 나머지는 최소 두개의 다른 패키지가 있다.

엔터프라이즈 MP는 Expandable(EX)로, 또 Volume DP는 Efficient Performance (EP)로, Entry UP는 Entry(EN)로 불리게 된다.

	모바일	데스크톱 UP 서버	DP 서버	MP 서버
8-코어 45 nm 4-채널				벡톤 80604
4-코어 45 nm 3-채널		블룸필드 80601	게인스타운 80602
4-코어 45 nm 2-채널, PCIe	클락데일 80607	린필드 80605	제스퍼 포레스트 80612
듀얼 코어 45 nm 2-채널, PCIe, 그래픽 코어	Auburndale canceled	Havendale canceled
10-코어 32 nm 4-채널[15]				웨스트미어-EX 80615
6-코어 32 nm 3-채널		걸프타운 80613	웨스트미어-EP 80614
듀얼 코어 32 nm 2-채널, PCIe, 그래픽 코어	애런데일 80617	클락데일 80616

데스크톱 및 서버 프로세서

• 출시된 프로세서는 굵은 글씨로 표시되었음
• 익스트림 프로세서는 클럭 배수 제한을 해제
• 모든 프로세서는 133 MHz 기준 클럭을 사용

45 nm

• 린필드 프로세서는 PCIe 1 x16 또는 2 x8 내장
• ¹ 서버용 제온 프로세서 6500 계열은 2 소켓까지, 7500 계열은 최대 4-8 소켓까지 확장 가능함.^[16]

코드명	시장	코어수 / 스레드수	소켓	프로세서 브랜드 이름		CPU 클럭	터보	TDP	인터페이스		L3 캐시	출시일	1000개당 가격
									칩셋	메모리
벡톤1	MP 서버 / DP 서버	8 (16)	LGA 1567	제온[17]	X7560	2.26 GHz	예	130 W	4× QPI 6.4 GT/s	DDR3-800 / 1066 (최대 4 채널)	24 MiB	2010-03-30[18]	$3692
					X7550	2.0 GHz					18 MiB		$2837
					X6550								$2461
					L7555	1.86 GHz		95 W	4× QPI 5.86 GT/s		24 MiB		$3157
		6 (12)			E7540	2.0 GHz		105 W	4× QPI 6.4 GT/s		18 MiB		$1980
					E6540						12 MiB		$1712
					E7530	1.86 GHz			4× QPI 5.86 GT/s				$1391
					L7545						18 MiB		$2087
		6 (6)			X7542	2.66 GHz		130 W					$1980
		4 (8)			E7520	1.86 GHz	아니요	105 W	4× QPI 4.8 GT/s				$856
					E6510	1.73 GHz					12 MiB		$744
게인스타운	DP 서버[19]	4 (8)	LGA 1366	제온[20]	W5590	3.33 GHz	예	130 W	2× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-13331	8 MiB	2009-08-09	$1600
					W5580	3.2 GHz						2009-03-29[21]	$1500
					X5570	2.93 GHz		95 W					$1286
					X5560	2.8 GHz							$1072
					X5550	2.66 GHz							$858
					E5540	2.53 GHz		80 W	2× 5.86 GT/s	3× DDR3-10661			$744
					E5530	2.4 GHz							$530
					E5520	2.26 GHz							$373
					L5530	2.4 GHz		60 W				2009-08-09	$744
					L5520	2.26 GHz						2009-03-30	$530
					L5518	2.13 GHz							$
		4 (4)			E5507	2.26 GHz	아니요	80 W	2× 4.8 GT/s	3× DDR3-8001	4 MiB	2010-03-16	$266
					E5506	2.13 GHz						2009-03-29	$266
					L5506	2.13 GHz		60 W					$423
					E5504	2.0 GHz		80 W					$224
		2 (4)			L5508	2.0 GHz	예	38 W	2× 5.86 GT/s	3× DDR3-1066	8 MiB		$
		2 (2)			E5503	2.0 GHz	아니요	80 W	2× 4.8 GT/s	3× DDR3-800	4 MiB	2010-03-16	$224
					E5502	1.86 GHz						2009-03-29	$188
블룸필드	UP 서버[22]	4 (8)		제온[23]	W3580	3.33 GHz	예	130 W	1× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-1333	8 MiB	2009-08-09	$999
					W3570	3.2 GHz						2009-03-29[23]	$999
					W3565	3.2 GHz			1× QPI 4.8 GT/s	3× DDR3-1066		2009-11-01	$562
					W3550	3.06 GHz						2009-08-09	$562
					W3540	2.93 GHz						2009-03-29[23]	$562
					W3530	2.8 GHz						2010-03-16	$294
					W3520	2.66 GHz						2009-03-29[23]	$284
		2(2)			W3505	2.53 GHz	아니요				4 MiB		$
					W3503	2.4 GHz							$
린필드		4 (8)	LGA 1156		X3480	3.06 GHz	예	95 W	DMI	2× DDR3-1333	8 MiB	2010-05-30	$612
					X3470	2.93 GHz						2009-09-08	$589
					X3460	2.8 GHz							$316
					X3450	2.66 GHz							$241
					X3440	2.53 GHz							$215
					L3426	1.86 GHz		45 W					$284
		4 (4)			X3430	2.4 GHz		95 W					$189
블룸필드	Enthusiast 데스크톱[24]	4 (8)	LGA 1366	코어 i7 익스트림	975[25]	3.33 GHz	예	130 W	1× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-1066	8 MiB	2009-05-31	$999
					965	3.2 GHz						2008-11-17	$999
				코어 i7	960[26]	3.2 GHz			1× QPI 4.8 GT/s			2009-10-20	$562
					950[25]	3.06 GHz						2009-05-31	$562
					940	2.93 GHz						2008-11-17	$562
					930	2.8 GHz						2010-02-28	$294
					920	2.66 GHz						2008-11-17	$284
린필드	퍼포먼스 데스크톱	4 (8)	LGA 1156		880	3.06 GHz	예	95 W	DMI	2× DDR3-1333	8 MiB	2010-05-30	$583
					875K	2.93 GHz							$342
					870[27]							2009-09-08	$562
					870S	2.66 GHz		82 W				2010-07-19	$351
					860	2.8 GHz		95 W				2009-09-08	$284
					860S	2.53 GHz		82 W				2010-01-07	$337
		4 (4)		코어 i5	760	2.8 GHz		95 W				2010-07-17	$209
					750[28]	2.66 GHz		95 W				2009-09-08	$196
					750S	2.4 GHz		82 W				2010-01-07	$259

• 벡톤(네할렘-EX)는 2011년 상반기에 32 nm로 발전될 예정이다. 코드명은 웨스트미어-EX이다. 클럭의 커다란 향상은 없을것으로 예상되나 코어 수, 캐시 용량이 증가하고 보안을 위한 기술들(AES-NI, TXT)이 지원될 예정이다. 에너지 효율성도 개선될 것으로 예상된다.

32 nm

• CPU 열 설계 전력(TDP)값은 GPU 값도 포함됨.
• 클락데일 프로세서는 PCIe 1 x16 내장됨

코드명	시장	코어수 / 스레드수	소켓	프로세서 브랜드 이름		클럭		터보	TDP	인터페이스		L3 캐시	출시일	1000개당 가격
						코어	GPU			칩셋	메모리
웨스트미어-EX	MP 서버	10 (20)	LGA 1567	제온			n/a	n/a					2011-Q2
걸프타운 / 웨스트미어-EP [29]	DP 서버	6 (12)	LGA 1366	제온	X5690	3.46 GHz	n/a	예	130 W	2× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-1333	12 MiB	??	??
					X5680	3.33 GHz							2010-03-16	$1663
					X5670	2.93 GHz			95 W					$1440
					X5660	2.8 GHz								$1219
					X5650	2.66 GHz								$996
					E5645	2.4 GHz			80 W	2× QPI 5.86 GT/s				$958
					L5640	2.26 GHz			60 W					$996
					L5638	2.0 GHz								$958
		4 (8)			X5677	3.46 GHz			130 W	2× QPI 6.4 GT/s				$1663
					X5667	3.06 GHz			95 W					$1440
					E5640	2.66 GHz			80 W	2× QPI 5.86 GT/s	3× DDR3-1066			$774
					E5630	2.53 GHz								$551
					E5620	2.4 GHz								$387
					L5630	2.13 GHz			40 W					$551
					L5618	1.86 GHz								$530
		4 (4)			L5609	1.86 GHz		아니요		2× QPI 4.8 GT/s				$440
	UP 서버	6 (12)		제온	W3680	3.33 GHz	n/a	예	130 W	1× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-1333	12 MiB	2010-03-16[30]	$999
					W3670	3.20 GHz				1× QPI 4.8 GT/s	3× DDR3-1066		2010-08-29	$885
	익스트림 / 퍼포먼스 데스크톱			코어 i7 익스트림	990X	3.46 GHz				1× QPI 6.4 GT/s	3× DDR3-1066		2011-Q1	$999
					980X	3.33 GHz							2010-03-16
				코어 i7	970	3.2 GHz				1× QPI 4.8 GT/s			2010-07-17	$885
클럭데일[31]	UP 서버	2 (4)	LGA 1156	제온	L3406	2.26 GHz	n/a	예	30 W	DMI	2× DDR3-1066	4 MiB	2010-03-16	$189
					L3403	2.0 GHz							2010-10	$
	메인스트림 / 밸류 데스크톱			코어 i5	680	3.6 GHz	733 MHz		73 W		2× DDR3-1333		2010-04-18	$294
					670	3.46 GHz							2010-01-07	$284
					661	3.33 GHz	900 MHz		87 W					$196
					660		733 MHz		73 W
					650	3.2 GHz								$176
				코어 i3	560	3.33 GHz		아니요					2010-08-29	$138
					550	3.20 GHz							2010-05-30	$138
					540	3.06 GHz							2010-01-07	$133
					530	2.93 GHz								$113
		2 (2)		펜티엄	G6950	2.8 GHz	533 MHz				2× DDR3-1066	3 MiB		$87
				셀러론	G1101	2.26 GHz						2 MiB		OEM

• 클럭데일 과 앨런데일은 32 nm 듀얼 코어 프로세서 Hillel 과 45 nm 통합그래픽 디바이스 Ironlake가 있으며 바꿀 수 있는 그래픽스를 지원함^[32]

모바일 프로세서

• 출시된 프로세서는 볼드체로 표시되었음.
• 익스트림 프로세서는 클럭 배수 제한을 해제. CPU 열 설계 전력(TDP)값은 통합된 GPU 값 포함된
• 모든 프로세서는 133 MHz 기준 클럭을 사용

45 nm 클럭필드

• 모두 4-코어 모델(8 스레드수). 하이퍼 스레딩과 터보 부스트 기술 지원.
• 지원하는 인터페이스 :
  • DMI
  • 2x DDR3-1333
  • PCIe 1 x16 / 2 x8

시장	소켓	프로세서 브랜드 이름		Core 클럭	터보	TDP	L3 캐시	출시일	1000개당 가격
익스트림 / 퍼포먼스 모바일	µPGA 988	코어 i7 익스트림	940XM	2.13 GHz	예	55 W	8 MiB	2010-06-21	$1096
			920XM	2.0 GHz				2009-09-23	$1054
		코어 i7	840QM	1.86 GHz		45 W		2010-06-21	$568
			820QM	1.73 GHz				2009-09-23	$546
			740QM				6 MiB	2010-06-21	$378
			720QM	1.6 GHz				2009-09-23	$364

32 nm 애런데일

• 사용되는 소켓은 µPGA-988 또는 BGA-1288.
• 지원되는 인터페이스:
  • DMI
  • PCIe 1 x16

시장	코어수 / 스레드수	프로세서 브랜드 이름		클럭		터보	TDP	메모리	L3 캐시	출시일	1000개당 가격
				Core	GPU
메인스트림 / 밸류 모바일	2 (4)	코어 i7	640M	2.8 GHz	766 MHz	예	35 W	2× DDR3-1066	4 MiB	2010-09-26	$346
			620M	2.66 GHz						2010-01-07	$332
			610E	2.53 GHz							OEM
			660LM	2.26 GHz	566 MHz		25 W			2010-09-26	$346
			640LM	2.13 GHz						2010-01-07	$332
			620LM / 620LE	2.0 GHz							$300
			680UM	1.46 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800		2010-09-26	$317
			660UM	1.33 GHz						2010-05-25	$289
			640UM	1.2 GHz						2010-01-07	$305
			620UM / 620UE	1.06 GHz							$278
		코어 i5	580M	2.66 GHz	766 MHz		35 W	2× DDR3-1066	3 MiB	2010-09-26	$266
			560M	2.66 GHz							$260
			540M	2.53 GHz						2010-01-07	$257
			520M / 520E	2.4 GHz							$225
			560UM	1.33 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800		2010-09-26	$250
			540UM	1.2 GHz						2010-05-25	$250
			520UM	1.06 GHz						2010-01-07	$241
			460M	2.53 GHz	766 MHz		35 W	2× DDR3-1066		2010-09-26	OEM
			450M	2.4 GHz						2010-06-26
			430M	2.26 GHz						2010-01-07
			470UM	1.33 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800		2010-10-01
			430UM	1.2 GHz						2010-05-25
		코어 i3	380M	2.54 GHz	667 MHz	아니요	35 W	2× DDR3-1066		2010-09-26
			370M	2.4 GHz						2010-06-20
			350M	2.26 GHz						2010-01-07
			330M / 330E	2.13 GHz
			380UM	1.33 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800		2010-10-01
			330UM	1.2 GHz						2010-05-25
	2 (2)	펜티엄	P6200	2.13 GHz	667 MHz		35 W	2× DDR3-1066		2010-09-26
			P6100	2.00 GHz
			P6000	1.86 GHz						2010-06-20
			U5400	1.20 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800		2010-05-25
		셀러론	P4600	2.00 GHz	667 MHz		35 W	2× DDR3-1066	2 MiB	2010-09-26	$86
			P4500 / P4505	1.86 GHz						2010-03-28	$86 / OEM
			U3400 / U3405	1.06 GHz	500 MHz		18 W	2× DDR3-800 / 1066		2010-05-25	$134 / OEM

• 클럭데일 과 앨런데일은 32 nm 듀얼 코어 프로세서 Hillel 과 45 nm 통합그래픽 디바이스 Ironlake가 있으며 바꿀 수 있는 그래픽스를 지원함^[32]

출시될 프로세서

네할렘과 웨스트미어의 후속 마이크로아키텍처는 샌디 브리지 마이크로아키텍처이다.

넷버스트에서 해스웰까지 인텔 CPU 코어 로드맵

같이 보기

• 인텔 코어 i7 프로세서
• 마이크로아키텍처
• 코어 마이크로아키텍처
• 넷버스트 마이크로아키텍처
• 인텔 CPU 마이크로아키텍처 목록