[1부] INTEL과 AMD 메인스트림 CPU의 격돌

뇌피셜 IT

[1부] INTEL과 AMD 메인스트림 CPU의 격돌 - 제조단가의 추격자

easylearn 2019. 7. 11. 00:41

Intel의 코어2듀오에서 부터 밀리기 시작한 AMD는 밑바닥부터 새로 설계한 Bulldozer 아키텍쳐를 준비한다. 바야흐로 2011년, 인텔의 샌디브릿지라는 희대의 CPU를 출시했다. 국민 CPU E8400(코어2듀오)의 2배에 버금가는 성능으로 비슷한 급의 i5-2500k를 출시하게 된다. 이에 맞춰 AMD는 잠베지를 출시한다.

잠베지의 성능은 놀라웠고, 기다렸던 모든 이들을 경악하게 했다. 성능이 너무 처참하게 구려서 AMD의 실적을 불도저처럼 모두 밀어버렸던 것이다. 차기 아키텍처인 ZEN기반 Ryzen이 2017년에 출시되기까지 AMD의 주가는 바닥을 기었고, 언제 망할 지 카운트 다운에 들어가는 듯 했다.

AMD는 2006년에 애슬론이라는 걸출한 CPU를 출시하여 Intel의 불판인 펜티엄4 (프레스캇)을 활활 불태웠다. 그런 영향으로 2006년의 주가는 $40, IT버블로 달성한 최고가인 $46를 바짝 따라 붙었다. 그러나 Intel은 코어2듀오에서부터 반격하여 린필드에 이르기까지 거대한 자본 및 개발팀을 기반으로 AMD를 떡실신 시키고 있었다. AMD의 주가는 매년 폭락했고, 2010/11년 새로운 아키텍쳐인 Bulldozer를 예고하며 맞대결을 성사 시켰다. 이런 기대감에 2010년 주가는 2009년 $2.8에서 $9까지 상승하였다. 하지만 잠베지라는 불도저는 AMD의 주가를 밀어버렸고, 기업 공개 이후 최저가인 $1.67에 1주가 거래되기까지 몰락했다.

어느 누구도 AMD가 재기하리라고 상상한 사람은 없었다. 그저 콘솔 게임기 (PS4와 XBOX ONE)와 그래픽 카드를 팔아서 연명하는 중소기업으로 기억의 저편에 잊혀졌다. AMD가 뭐냐고 묻는 사람이 대다수지, AMD가 CPU 기업이라는 것조차 너무 어색한 것이 되었다.

그런데 2014년 CEO로 취임한 리사 수, CTO 마크 페이퍼마스터과 그의 추천으로 ZEN 설계를 주도하게 된 짐 켈러, GPU 수석 아키텍쳐 (후일 GPU 수장) 라자 코두리는 이 모든 상황을 역전 시킨다. Intel로 이직한 라자 코두리의 작품은 NAVI로 2019년에 베일을 벗게 된다 (뇌피셜IT 첫 게시물 TU106과 NAVI10 단가 비교 참고)

2017년을 시작으로 AMD는 제 2의 부흥기를 맞이하고 있다.

어떻게 그럴 수 있었는가?

이제 와서는 AMD의 정체성이나 다름없는 가성비의 8코어 CPU가 만들어졌는지 분석해 보고자 한다. 총 2부작으로 구성되는 글이 될 것이며, 이번 것은 첫번째 내용 - 메인스트림 CPU 제조단가 비교를 할 것이다. Intel/GF 수율 계산의 경우 구체적인 자료가 없으므로 TSMC GPU 칩셋 계산 자료를 참고하여 칩셋 구분선 굵기는 0.37로 Edge Loss는 3mm로 가정하고 계산할 것이다. 또한 12인치 웨이퍼 생산 단가는 TSMC 2019 자료를 참고할 것이다. 2019년 기준으로 통제된 변인이 많기에 칩셋 가격은 정확하지 않을 것이다. 따라서 단위가 중요한 것이 아니라 Intel vs. AMD의 상대가격이 중요하다.

1. Intel / AMD 메인스트림 CPU의 출시년 | Die Size | 수율을 교차검증으로 추정한다. 파운드리를 이용하기에 얻기 쉬운 AMD의 수율 정보와는 다르게, Intel의 생산수율은 철저한 기업 비밀로 공개되어 있지 않다. 그렇기 때문에 기존 자료에 근거한 보수적인 수율 추정으로 계산할 것이며, 이는 실제와 오차가 있을 수 있다. 따라서 계산 결과는 100% 맞는 FACT가 될 수 없으며, 생산 단가의 변화 추이를 살피기 위한 참고자료로서의 가치밖에 가질 수 없다.

2. Intel 메인스트림 CPU 생산단가를 추정한다. 웨이퍼 주변부 Edge Loss 및 불량률에 의한 부분 활용으로 하위 라인업의 CPU 칩셋으로 재활용되는 경우는 제외한다. 인텔의 경우도 칩셋 재활용이 이루어지나 하이퍼스레드 유무/팬티엄 칩으로의 재활용 정도로만 나뉘며, 코어 수/모바일/서버에 따라 다른 칩셋으로 설계되는 것으로 필자는 알고 있다.

3. AMD 메인스트림 CPU 생산단가를 추정한다. 웨이퍼 주변부 Edge Loss 및 불량률에 의한 부분 활용으로 하위 라인업의 CPU 칩셋으로 재활용되는 경우는 제외한다. 비록 R7~R3가 하나의 Zeppelin Die의 전면 재활용이기는 하나, 얼마나 재활용되는지 알 수가 없으므로 이 경우는 생략한다. 물론 이런 이유로 메인스트림 라인인 i3/i5/i7에서 최소 2종류의 칩셋을 설계해야 하는 Intel의 (개발비용의 공제가 필요하기에) 총 마진은 더 적을 것이다.

4. 2번과 3번을 비교하여 CPU 생산단가 변화 추이를 비교한다. Profit! 참 쉽죠??

파운드리 & Intel의 공정난이도는 아래와 같다 (우측이 고난도 공정)

Global Foundries(이하 GF) 14nm ≤ GF 12nm < Intel 14nm < TSMC 7nm ArFi

하단의 참고 링크를 기반으로 하나의 표를 작성할 수 있다. 여기서 Intel 14nm 공정 수율은 추정값이며, 실제와 다를 수 있다. 2017년에 이르러서는 난이도가 GF 14nm 보다 높은 공정임에도 우월한 수율을 가진다고 전제를 두었다. 또한 메인스트림 최상위 라인업 CPU를 기준으로 작성하였다.

		Q3'15	Q1'17	Q4'17	Q2'18	Q4'18	Q2'19
Intel (14nm)	제품명	6700k	7700k	8700k		9900k
	면적	122	122	149		177
	수율	80	87	90(a)		91.5(b)
AMD	제품명		1800x		2700x		3800x
	면적		192		192		Chiplet 74 + I/O 125
	수율		80 (GF 14nm)		90 (GF 12nm)		70→85(TSMC 7nm)+91.5(c)(GF 12nm)

90(a) : 122㎟ 기준 수율로, 149㎟ 기준 수율로의 변환 필요
91.5(b) : 122㎟ 기준 수율로, 177㎟ 기준 수율로의 변환 필요
91.5(c) : 192㎟ 기준 수율로, 125㎟ 기준 수율로의 변환 필요

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(1) i7 6700K

그림판으로 칩셋 부분만 드래그하여 픽셀 값을 구한다. 105*150px값이 나왔다. 즉 i7 6700k는 105*150 비율의 칩셋이다.

(a) 해당 비율로 122㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 122㎟ = 105x*150x = 15,750x^2 = 9.24121mm X 13.20173mm

(b) 수율 : Defect Density = 0.1864; Good Die = 378

(2) i7 7700K

i7 7700K는 6700K의 수율안정화 이후의 고클럭 버전이므로 비율 및 면적이 바뀔 일은 없다.

(b) 수율 : Defect Density = 0.11546; Good Die = 411

(3) i7 8700K

그림판으로 칩셋 부분만 드래그하여 픽셀 값을 구한다. 145*253px값이 나왔다. 즉 i7 8700k는 145*253 비율의 칩셋이다.

(a) 122㎟ 칩셋 수율이 90일 경우 : Defect Density = 0.0871

(b) 해당 비율로 149㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 149㎟ = 145x*253x = 36,685x^2 = 9.24096mm X 16.12387mm

(d) 16nm 12인치 웨이퍼 단가 $5,912 → i7 8700k 칩셋 단가 = $5,912/334 = $17.7 (상대가격)

(4) i9 9900K

그림판으로 칩셋 부분만 드래그하여 픽셀 값을 구한다. 123*247px값이 나왔다. 즉 i7 8700k는 123*247 비율의 칩셋이다.

(a) 122㎟ 칩셋 수율이 91.5일 경우 : Defect Density = 0.07332

(b) 해당 비율로 177㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 177㎟ = 123x*247x = 30,381x^2 = 9.38838mm X 18.85309mm

(d) 16nm 12인치 웨이퍼 단가 $5,912 → i7 9900k 칩셋 단가 = $5,912/280 = $21.11 (상대가격)

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(1) R7 1800X

그림판으로 칩셋 부분만 드래그하여 픽셀 값을 구한다. 138*308px값이 나왔다. 즉 R7 1800X는 138*308 비율의 칩셋이다.

(a) 해당 비율로 192㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 192㎟ = 138x*308x = 42,504x^2 = 9.27502mm X 20.70077mm

(b) 수율 : Defect Density = 0.11845; Good Die = 234

(2) R7 2700X

12nm R7 2700X는 14nm R7 1800X의 공정 개선 버전으로 면적 스케일링이 없다. 즉 수율와 오버마진만 올라간 것이다.

(a) 수율 : Defect Density = 0.05535; Good Die = 263

(b) 16nm 12인치 웨이퍼 단가 $5,912 → R7 2700X 칩셋 단가 = $5,912/263 = $22.48 (상대가격)

(3) R7 3800X

ZEN2 부터는 Chiplet과 IO Die가 분리되기에 따로 계산해야 한다. R7 3800X는 1 chiplet + IO Die 구성이다. 여기서 chiplet은 111*82px, IO Die는 142*105px이다.

(a) 192㎟ 칩셋 수율이 91.5일 경우 : Defect Density = 0.0466

(b) IO 해당 비율로 125㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 125㎟ = 142x*105x = 14,910x^2 = 13.00183mm X 9.61403mm

(d) 16nm 12인치 웨이퍼 단가 $5,912 → R7 3800X IO 단가 = $5,912/434 = $13.62 (상대가격)

(e) chiplet 해당 비율로 74㎟ 칩셋을 생산할 경우를 추정 : 74㎟ = 111x*82x = 9,102x^2 = 10.00085mm X 7.39369mm

(f-1) [2019.4] 수율 70% : Defect Density = 0.4976; Good Die = 545

(g-1) 7nm 12인치 웨이퍼 단가 $9,965 → R7 3800X chiplet 단가 = $9,965/545 = $18.28 (상대가격)

(f-2) [2019.7] 수율 85% : Defect Density = 0.2228; Good Die = 662

(g-1) 7nm 12인치 웨이퍼 단가 $9,965 → R7 3800X chiplet 단가 = $9,965/662 = $15.05 (상대가격)

(h) R7 3800X 칩셋 단가 [2019.4] $31.9 [2019.7] $28.67

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분기별 칩셋 단가를 비교할 때 Q4'18에 가장 비슷해 졌다가, 2019년에 AMD가 7nm를 도입하면서 칩셋 단가가 치솟은 것을 볼 수 있다. 두 기업의 단가 차이를 더 보기 쉽게 다른 유형의 그래프를 보자.

Q1'19에 상당한 단가가 들어갔다고 볼 수 있겠지만, 라이젠 R7 1800X를 Q1'17 처음 시장에 출시했을 때보다는 상대적인 비용 소모 차이가 줄어든 것을 알 수 있다. 여기서 고려해야 할 점은 R7 3800X는 i9 9900K 게이밍 성능에 95%까지 근접했다는 점이다. 과거 R7 1800X가 i7 7700K보다 게이밍에서 89% 정도였던 것을 보면 격세지감을 느낀다.

AMD는 메인스트림에서 이제 충분한 경쟁력을 갖추게 되었다. 또한 TSMC 7nm Arfi 공정이 더욱 안정화 되어 수율이 90%가 된다면, R7 3800X 칩셋 단가는 더욱더 경쟁력이 있어질 것이다.

하단의 표는 위의 다각형 표를 (상대적 비용) INTEL 칩셋 생산단가를 기준으로 AMD의 단가와 얼마나 차이나는 지를 정리하였다.

		Q3'15	Q1'17	Q4'17	Q2'18	Q4'18	Q2'19	(E)Q1'20
Intel	CPU	6700k	7700k	8700k		9900k
	Price($)	339	339	370		499
	Die(relative)	15.64	14.38	17.7		21.11
AMD	CPU		1800x		2700x		3800x
	Price($)		499		329		399
	Die(relative)		+10.88	+7.56	+4.78	+1.37	+10.79 → +7.56	+6.72

그래프 한 개만 더 보고자 한다. 이번에는 INTEL i7-6700K 기준으로 연도별 단가 변화와 AMD의 R7-1800X 연도별 단가 변화를 추적할 것이다. 단가 변화에 따른 MRSP 가격 변화율도 같이 추적할 것이다.

<INTEL i7-6700K / AMD R7 1800X 생산 단가 기준으로 생산비 증감 추이 & MRSP 변화>

그래프에서 보여주는 단가는 칩셋 개발비용 / 공정 개발비용이 모두 제외된 비용이기에 상대적인 비교만 가능하다. 하지만 두 가지 사실을 알 수 있다. Intel의 i7가격은 왜 점점 올랐는가? 14nm에서 수율은 올라도 칩셋의 사이즈가 커지니 생산 단가가 지속적으로 올랐다. AMD는 라이젠2000에서는 어떻게 가격인하를 단행할 수 있었고, 라이젠3000에서는 왜 가격인상을 단행하였는가? 라이젠2000의 12nm 수율이 높았기에 생산단가가 줄어서 가격 인하를 단행할 수 있었다. 하지만 라이젠3000에서 7nm공정을 도입하며 생산단가가 올랐기 때문에 3700X로 나와야 할 칩셋이 3800X로 출시되었다. 7nm공정이 안정화가 되가는 연말이 될수록 AMD CPU의 마진률은 더더욱 늘어날 것이다.

[결론]

Intel의 milking time은 이제 확실하게 끝이다. 10nm 수율 및 고클럭화의 어려움에 21년에 들어서야 서니 코브가 나올 예정인 Intel은 어떤 선택을 할 것인가? 칩셋 라인업이 크게 2개인 AMD가 성능과 생산 단가에서 코 밑까지 추격해 오는 와중에, 생산할 칩셋 라인업이 최소 10개가 넘는 Intel은 어떻게 생산 단가와 연구비를 절감할 것인가? 지금껏 쌓아온 자본과 노하우를 발휘할 때가 왔다. 인텔은 AMD가 죽 쓸 동안 어떤 준비를 해 왔던 것일까? 앞으로 지켜볼 만한 주제다.

Intel의 2018 전체 실적 발표가 났다. 칩 생산에 난항을 겪었지만, 꽤나 쏠쏠한 수익을 올렸다고 한다. 하지만 이것이 내리막의 전조가 아닐까 조심할 필요가 있어 보인다. 기업 OEM 컴퓨터 시장이 대부분인 CCG를 AMD가 잠식할 준비는 끝난 것 같다(노트북의 전력관리 문제가 있어서, 모바일 부문은 내년 ZEN2기반 4000u 시리즈가 필요). 서버 DCG 시장에서도 기지개를 펴고 10%대 향할 준비를 끝냈다.

그런데 가장 흥미진진한 분야는 우리가 쉽게 접하는 메인스트림 CPU나 모바일 CPU가 아니다. 바로 서버 시장이 가장 치열하고 캐시카우가 되는 시장이다. 이제 서버 시장에서는 어떤 접전이 벌어지고 있을 지 분석해 볼 예정이다. 서버 시장에서는 반대로 AMD가 상대적 생산단가가 (확연하게) 우월한 모습을 볼 수 있을 것이다.

※ 1차 수정) ZEN 아키텍쳐의 1800x/2700x Die Size를 ~~213㎟~~ 192㎟로 재계산하였습니다.

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