Apple의 M1은 대체 왜 성능이 좋을까?

먼저 M1은 2020년 11월에 WWDC 키노트에서 새로운 macOS Big Sur를 발표하면서 공개되었는데, 정확하게는 Apple Silicon의 M1이다. Apple Silicon은 쉽게 말해 애플이 직접 설계한 맥용 프로세서를 말하는데, 2005년부터 M1이 발표되기 전까지 그동안 애플은 인텔 프로세서를 사용해왔다.

인텔이 사용하는 x86 아키텍처 방식은 성능도 높고 호환성도 뛰어나지만, 전력 효율이 떨어지고 비싼 데다가 14나노 공정에서 몇 년째 발전이 없는 상황이었으며, 인텔 프로세서는 발열 이슈도 굉장했다. 더군다나 계속해서 인텔의 프로세서 출시 일정이 딜레이 되고 단종이 되는 등의 이슈들이 애플의 제품 출시에도 영향을 미쳤다. 그렇게 애플은 인텔 프로세서가 아닌 자체 프로세서의 개발을 시작하게 되었다.

먼저 인텔이 사용하는 x86 아키텍처는 현재 PC에서 가장 많이 사용하는 설계 방식으로, 인텔이 가장 먼저 도입하였다. x86은 복잡한 명령어로 연산하고, PC를 위한 고성능 아키텍처이다.

이것과 흔히 반대되는 개념이 ARM 아키텍처이다. ARM은 설계 자체가 단순하고 고효율을 중시하기 때문에 모바일에서 사용해왔다. ARM은 인텔과 같이 회사 이름인데, 인텔처럼 공장을 가지고 칩셋을 직접 생산해서 팔지 않고, 칩셋을 만들지 않고 설계까지만 한다. ARM 아키텍처 '기반'이라고 말하는 이유가 그 때문이다. ARM이 설계한 것을 기반으로 애플이 입맛에 맞게 만든 게 M1, Apple Silicon이다.

그렇게 애플은 ARM 아키텍처 기반의 프로세서를 가지고, 에너지 효율과 성능을 충족하는 제품을 만들 수 있게 되었다. 공개할 당시 시연에 사용한 맥북의 프로세서가 아이패드 프로에서 사용된 A12Z Bionic이라는 프로세서로 구동되고 있었는데, 즉 맥을 모바일 기기에 들어가는 프로세서로 구동시킨 것이다.

그 때문에 새롭게 만든 ARM 아키텍처 기반의 칩셋이 성능이 담보가 된다 할지라도 기존의 인텔 맥에서 사용하던 다른 모든 소프트웨어들을 재설계해야 한다는 호환성의 문제가 있었으나 인텔 프로세서로 개발된 앱들을 ARM 기반 애플 프로세서로도 구동할 수 있게 변환해주는 로제타도 함께 발표를 하였다.

M1이 데스크톱 PC 프로세서로는 최초로 5나노미터 공정으로 만들어졌는데, 나노 숫자가 더 작아지면 작아질수록 미세 공정이란 뜻이다. 숫자가 작을수록 더 상위 기술이고 더 좋은 것이라고 생각하면 되는데, 공정이 미세해질수록 칩 안에 많은 트랜지스터가 들어갈 수 있고, 트랜지스터가 많을수록 성능 향상에 유리하고 에너지 효율이 높아진다는 것이다. 자그마한 칩 하나에 CPU, GPU, 뉴럴 엔진 등 수많은 요소가 통합돼 있는 시스템 온 칩(SoC) 형태이다.

M1은 4개의 고성능 코어, 4개의 고효율 코어로 구성된 8코어 CPU를 탑재했다. 즉, 일꾼이 총 8명있는데 4명은 굉장히 일을 잘하는 고성능, 대신 밥도 많이 먹는다. 나머지 4명은 전력 소모를 최소화하는 고효율인 것이다. 어떤 작업을 해야 할 때 어떤 코어를 붙여서 어디에 쓸 것인지, 어떻게 해야 퍼포먼스는 최대로 내면서도 전력은 최소로 먹을 것인지 등을 OS가 굉장히 빠르게 판단하고 적재적소에 스마트하게 일꾼들을 분배하는 것이다. 

그렇기에 애플에 따르면 고성능 코어는 저전력 프로세서 중에서는 세계 최고의 CPU 속도를 보여준다고 한다. 고효율 코어는 고성능 코어의 1/10 수준의 전력으로도 구동된다고 하는데 현세대 듀얼코어 맥북 에어와 유사한 성능이지만 실제 소모하는 전력은 훨씬 낮다는 게 포인트이다.

M1의 통합 메모리 구조

통합 메모리 구조도 중요한데, 원래는 다 따로따로 있던 부품들을 하나의 칩셋 안에 통째로 올린 것이다. 그만큼 만들 때 공정이 미세하고 어렵고 복잡하다. 구조는 메모리가 있고, 거기에 CPU, GPU, 머신 러닝 연산을 위한 뉴럴 엔진 등 모든 게 메모리에 연결되어 있다. 원래의 경우, CPU에도 메모리가 있지만 GPU에도 연산이 일어나기 때문에 GPU 몫의 메모리가 따로 있다. 기존의 경우, 떨어져 있는 부품끼리 데이터를 주고받아야 했기 때문에 필연적인 비효율성이 발생했었다. 반면, M1은 통합 메모리 구조로 메모리가 하나이기 때문에 데이터를 복사해서 전달하는 과정이 생략되는 것이다.

결론적으로 이 모든 것이 애플이 소프트웨어와 하드웨어를 함께 만들기 때문에 가능한 것이다. 그렇기에 M1이 압도적인 성능이 나올 수밖에 없는 것이다.

참고: M1을 담아 맥북을 만들었어요 - 디에디트