삼성 엑시노스/900 시리즈/990(S5E9830)

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1. 개요[편집]

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삼성전자가 2019년 10월에 공개한 ARM 계열 CPU 기반의 모바일 AP이자 삼성전자의 2020년 플래그십 AP다.

엑시노스 9 시리즈에 소속되어 있으며 파트넘버는 S5E9830이다.[1]

삼성전자의 원래 계획대로 흘러갔다면 퀄컴의 2020년 플래그십 모바일 AP인 스냅드래곤 865 SM8250의 카운터파트로서 시장에서 갤럭시 S 시리즈 소속 스마트폰과 갤럭시 노트 시리즈 소속 스마트폰의 모바일 AP로 탑재되어야 했고 실제로 그렇게 되었지만 2018년부터 이어지는 삼성전자의 자체 CPU 아키텍처인 Exynos M 시리즈에 대한 불안 요소와 삼성전자가 꾸준히 사용하던 GPU IP인 ARM Holdings의 Mali 그래픽에 대한 불만이 누적된 것이 동시에 터지면서 결국 스냅드래곤 865 SM8250와의 경쟁에서 밀리게 되는 비운의 모바일 AP가 되었다는 평가를 받고 있다.

2. 제원 및 탑재 기기[편집]

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3. 상세[편집]

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엑시노스 9 Series (9820)의 후속작이다. 공개된 시점이 시기적으로 엑시노스 시리즈의 브랜드 및 파트넘버 개편이 진행되고 있는 과도기적 상황이기 때문에 전작이 무엇인가에 대한 갑론을박이 있었지만 삼성전자가 파트넘버를 S5E9830으로 공개함에 따라 엑시노스 9 Series (9820)의 후속작인 것이 확정되었다.

CPU는 Samsung Exynos M5를 듀얼코어 구성으로 빅 클러스터를 이루고, ARM Cortex-A76을 듀얼코어 구성으로 미드 클러스터를 이루며 ARM Cortex-A55를 쿼드코어 구성으로 리틀 클러스터로 이뤄서 ARM big.LITTLE 솔루션을 적용한 DynamIQ 방식 HMP 모드 지원 옥타코어 CPU를 탑재했다.

GPU는 ARM Mali-G77을 운데카코어 구성으로 탑재했다.

인공신경망 프로세서인 NPU를 탑재했다. 다만, 구체적인 정보는 알려지지 않았다. 이로 인해 생체인식 솔루션과 연계해 사용하거나 AI 성능을 별도로 처리하고 최대 10 TOPS의 성능을 가진다. 그리고 디지털 시그널 프로세서를 별도로 탑재했다. 다만, 이역시 구체적인 정보는 알려지지 않았다.

HSA를 지원한다. 그리고 메모리 컨트롤러도 탑재해서 LPDDR5 SDRAM, UFS 3.0, UFS 2.1 등을 지원한다. 다만, 통신 모뎀 솔루션을 별도로 내장하지 않았다. 이는 삼성전자의 플래그십 모바일 AP 중에서는 삼성 엑시노스 7 Octa (7420) 이후로는 처음이다. 다만, 삼성 엑시노스 모뎀 5123을 별도로 탑재해 연계하면 5G NR까지 지원한다. 이외에도 위상차 검출 AF를 지원하는 듀얼 ISP를 탑재했다.

여기에 최대 8K@30 fps 및 4K@120 fps H.265(HEVC), H.264(AVC), VP9 촬영 및 재생이 가능한 MFC를 탑재했다.

생산 공정은 삼성전자 파운드리 사업부의 7nm FinFET (EUV) 공정이다[2].

4. 성능 분석[편집]

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벤치마크 결과의 경우, 해당 모바일 AP를 기반으로 한 개발 보드는 존재하지 않는다. 따라서, 어느정도 제약이 존재하는 실제 탑재 기기 기준으로 평가가 이루어질 수 밖에 없는데 어차피 카운터파트인 퀄컴의 스냅드래곤 865 SM8250 역시 개발 보드가 아닌 실제 탑재 기기 기준으로 데이터를 모아서 비교군을 이루고 있기 때문에 큰 문제는 아니다.

게다가 실제 탑재 기기인 갤럭시 S20 및 S20+ 및 S20 Ultra의 경우 스냅드래곤 865 SM8250와 함께 국가 및 지역 별로 이원화되어 탑재되었기 때문에 적어도 스냅드래곤 865 SM8250만큼은 직접적인 비교가 용이하다.

4.1. CPU 성능[편집]

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[ SPEC 2006 기준 CPU 정수 성능과 FP 연산 능력 및 효율 데이터 ]

SPEC 2006 기준 CPU 정수 성능과 FP 연산 능력 및 효율 데이터

Exynos M 시리즈를 설계한 삼성전자 시스템 LSI 사업부의 커스텀 CPU 아키텍처 설계 팀은 미국 텍사스주의 오스틴시에 위치[3]했는데 2019년에 해체되었다. 하지만 이미 Exynos M5의 설계가 완료되면서 빅 클러스터로 들어갔다. 그러나, Exynos M3부터 삼성전자가 겪었던 소프트웨어 문제 및 전력 효율 문제를 해결하지 못했다. 특히, Exynos M3와 Exynos M4는 6-Wide 디코더 구조를 가지면서 비록 실성능 기준으로는 당시 카운터파트인 ARM Holdings의 Cortex-A75와 Cortex-A76과 어려운 경쟁을 하더라도 기본적인 연산 성능은 우위를 가질 수 있었다. 그러나, 퀄컴이 스냅드래곤 865 SM8250에 Cortex-A77을 빅 클러스터와 미드 클러스터에 넣으면서 이러한 우위 또한 빛을 바래고 말았다.

이러한 상황에서 Exynos M5는 평균적으로 약 3~4 W의 전력 소모를 보여주고 Cortex-A77는 풀 로드 시에도 약 2 W 미만의 전력 소모를 보여주면서 전력 대비 성능비에서 확실한 격차를 보여주고 있다. 전력 대비 성능비 면에서 Exynos M5는 전작인 Exynos M4에 비하여 전혀 개선되지 않았다. 따라서 Exynos M4와 Cortex-A76의 격차에 비해 Exynos M5와 Cortex-A77의 격차는 더욱 벌어지게 되었다. 미드 클러스터로 사용한 Cortex-A76는 Cortex-A77와 비교할 때 전작과 후속작의 관계다보니 열세를 가지고 있으며 전력 효율 역시 직전 세대 모바일 AP인 스냅드래곤 855 SM8150의 미드 클러스터와 동일한 수준으로 가지고 있다.

따라서, SPEC 2006 기준으로 보면 명백하게 열세를 보여주고 있다. 사실, 이미 여러 사설 IT 웹진 등에서 진행된 리뷰 등을 통해서 카운터파트인 스냅드래곤 865 SM8250보다 떨어지는 모습을 보여주고 있었고 실제 탑재 기기의 리눅스 커널에서 드러난 전력 상수들역시 이러한 전망들을 뒷받침 해줬기 때문에 이미 많은 사람들이 예상하던 부분이었다. 즉, 갑자기 결과가 도출된 것이 아니라 이미 예상이 되었고 여러 자료들이 이런 예상들을 기정사실화한 것이었다.

[ IDLE 환경에서의 CPU 전력 소모 및 배터리 사용 시간 데이터 ]

IDLE 환경에서의 CPU 전력 소모 및 배터리 사용 시간 데이터

전작인 엑시노스 9 Series (9820)과 리비전 AP인 엑시노스 9 Series (9825)에 사용된 Exynos M4도 카운터파트인 퀄컴의 Kryo 485 Gold에 비해서는 상대적으로 열세였다. 그러나, 리틀 클러스터에 들어간 IDLE 시의 Cortex-A55의 효율이 퀄컴보다는 삼성전자 쪽이 더 좋았기에 실제 탑재 기기의 배터리 사용 시간은 서로 엇비슷한 수준이었다고 평가를 받았다.[4][5][6][7]

그러나, Exynos M5의 효율은 Exynos M4의 수준에서 답보했다. 물론 IDLE 환경에서 리틀 클러스터의 전력 소모는 여전히 스냅드래곤 865 SM8250에 비해 낮았지만 빅 클러스터와 미드 클러스터의 효율 차이가 더욱 심하게 벌어지면서 큰 의미를 가지기 어려웠다. 따라서, 실제 탑재 기기의 배터리 사용 시간 역시 스냅드래곤 865 SM8250보다 크게 밀리게 되었다.

[ PCMark 기준 데이터 ]

PCMark 기준 데이터

PCMark 기준으로도 전작인 엑시노스 9 Series (9820)과 리비전 AP인 엑시노스 9 Series (9825)가 당시 카운터파트인 스냅드래곤 855 SM8150와의 격차를 상당 부분 줄이는데 성공했지만 이번에는 도로 격차가 벌어졌다.

4.2. GPU 성능[편집]

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[ 여러 GPU 벤치마크의 최대 성능 및 지속 성능 테스트 결과 데이터 ]

여러 GPU 벤치마크의 최대 성능 및 지속 성능 테스트 결과 데이터

Mali-G77 운데카코어 구성은 Adreno 650과 비교할 때 최대 성능은 동일한 수준인 것으로 측정되었다. 그러나 역시 전력 소모가 문제인데 Adreno 650는 약 3 W 후반대로 측정되었지만 Mali-G77 운데카코어 구성은 약 5 W 대로 측정되었다. 이는 800 MHz라는 상대적으로 높은 클럭 때문인 것으로 추정되고 있다. 따라서, GPU의 전력 효율은 전작인 엑시노스 9 Series (9820)과 리비전 AP인 엑시노스 9 Series (9825)의 Mali-G76 도데카코어 구성과 스냅드래곤 855 SM8150의 Adreno 640의 차이보다 더욱 벌어졌고 Mali-G77은 Mali-G76와 비교했을 때 개선되지 않은 모습을 보여주고 있다.

즉, 성능은 상승했지만 전력 효율은 개선되지 않으면서 최대 성능과는 별개로 지속 성능 측면에서는 비교군 모바일 AP 중에서도 하위권에 그치는 비극을 맞이하게 되었다. 엑시노스 9 Series (9825)가 7nm FinFET E (EUV) 공정으로 생산되면서 전력 효율 및 지속 성능 개선을 이뤄냈음을 감안한다면 이제는 카운터파트인 스냅드래곤 865 SM8250보다 떨어지고 전작인 엑시노스 9 Series (9820)보다도 떨어지면서 실제 성능 측면에서는 심각한 결함을 가진 셈이 되었다.

이에 대해서 GPU 성능과 머신러닝 연산 성능 격차를 잡기 위한 Mali 그래픽의 변화가 근본적인 원인이라 지목되고 있다. Mali 그래픽의 GPU 아키텍처는 Midgard 아키텍처, Bifrost 아키텍처 그리고 Valhalla 아키텍처로 이어지면서 점점 비대화되었다.[8] 그러면서 소모해야할 전력은 늘어나는데 설계 주체인 ARM Holdings나 GPU IP 사용자인 삼성전자 모두 이를 잡을 수 있는 역량이 부족한 것으로 추정된다. 특히, 2018년 이후로 모바일 AP는 NPU를 중심으로한 머신러닝 성능의 중요성이 더욱 확대되고 있는데 Mali 그래픽은 반대로 범용성도 놓칠 수 없다보니 어느 한 분야에만 집중할 수 없게 되었다. 즉, 이도저도 아닌 상황에 놓이면서 범용성도 확실하게 잡지 못하고 그렇다고 머신러닝 연산 개선도 확실하게 잡지 못한 것이다.

4.3. NPU 및 머신러닝 성능[편집]

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머신러닝 성능 면에서는 확실한 발전이 있었다.

일단, CPU 가속을 통한 머신러닝 성능을 측정한 결과, 스냅드래곤 865 SM8250보다는 열세지만 GPU를 통한 머신러닝 성능은 ARM Holdings의 Mali-G77의 16-bit 및 32-bit 부동소숫점 연산 능력이 크게 향상되면서 스냅드래곤 865 SM8250에 탑재된 퀄컴의 Adreno 650보다 소폭 우위를 점하게 되었다.

다만, NPU 성능은 측정할 수 없는데 이는 삼성전자가 자신들의 NPU를 사용할 수 있도록하는 SDK를 서드파티 애플리케이션 개발자들에게 개방하지 않았기 때문이다. 즉, 삼성전자는 NPU의 성능이 최대 10 TOPS라고 발표했지만 이를 측정할 방법이 없는 상황이다. 카운터파트인 스냅드래곤 865 SM8250은 NPU가 탑재되지 않았지만 Hexagon 698 DSP가 NPU를 대체하고 있으며 CPU, GPU 그리고 DSP가 함께 연산해서 얻는 성능은 최대 15 TOPS라고 발표했다.

4.4. ISP 및 이미지 처리 알고리즘[편집]

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ISP의 처리 능력 및 처리 알고리즘은 다시 퀄컴을 따라잡는데 성공했다는 평가를 받았다.

기존의 ISP 성능을 비교하면 엑시노스 8 Octa (8890)과 스냅드래곤 820 MSM8996은 삼성전자 우세, 엑시노스 9 Series (9820)과 스냅드래곤 855 SM8150은 퀄컴 우세로 엎치락뒤치락했지만 실제 탑재 기기인 갤럭시 S20 기준으로 다시 삼성전자가 우위를 되찾은 것으로 보인다. 주간에서는 촬영 결과물의 선명함과 해상도 면에서 꾸준히 앞서고 있으며 야간에서의 저조도 촬영 결과물도 스냅드래곤 855 SM8150이 여러 세부사항과 촬영 결과물의 질감을 흐리게 만드는 문제가 발생해서 상대적으로 우위를 점할 것이라고 평가받고 있다.[9]

4.5. 결론[편집]

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종합적으로 전체적인 최대 성능은 향상되었지만 전력 효율은 전작인 엑시노스 9 Series (9820)과 리비전 AP인 엑시노스 9 Series (9825) 수준을 답보했고 이로 인해 실제 성능 측면에서 한 세대 뒤쳐지는 결과를 보여주고 있다. 이는 CPU나 GPU 어느 한쪽의 문제라고 할 수 없고 그동안 만성적인 문제로 작용했던 ARM Holdings의 Mali 그래픽의 문제와 삼성전자의 커스텀 CPU 아키텍처 설계 팀이 지속적으로 가지고 있던 문제가 결합된 합병증이라고 볼 수 있다.

다만, 퀄컴의 문제작인 스냅드래곤 810 MSM8994과 비교했을때 진짜 못써먹을 물건은 아니다. 상대적인 관점에서 엑시노스 9 Series (9820) 대비 정체되면서 스냅드래곤 865 SM8250보다 많이 밀릴 뿐이지 이녀석 자체가 도저히 쓰기 어려운 물건은 아니라는 의미다. 문제는 성능이 떨어지는 엑시노스 버전의 가격이 스냅드래곤과 차이가 없다는 것이 문제다...

4.6. 삼성전자의 대처?[편집]

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물론, 몇 년간 누적되고 있는 비판에 대해서 삼성전자도 손을 놓고 있지는 않았다.

우선, CPU는 Exynos M 시리즈를 설계한 커스텀 CPU 아키텍처 설계 팀을 해체하고 대신에 퀄컴과 유사하게 ARM Holdings의 Cortex-A 시리즈를 그대로 사용하거나 세미 커스터마이징 수준으로 사용하는 것으로 가닥이 잡혔다.[10]

다만 문제라면 통상적으로 모바일 AP의 제원은 공개되기 약 1년 6개월 전에 내부적으로 결정된다는 것이다. 그렇기에 2019년에 해체되었지만 2020년에 Exynos M5가 사용되고 있는 것이다. 그래서 2013년, 2014년 그리고 2019년처럼 하반기에 리비전 AP가 나오는 것이 아니라면 일단 2020년은 Exynos M5으로 버티고 2021년에 CPU의 개선이 이루어질 것으로 전망되고 있다.[11] 따라서, 어느정도 개선이 보장되었다고 볼 수 있으며 망한다 하더라도 퀄컴을 비롯해서 하이실리콘과 미디어텍까지 다같이 망하기에 뒤쳐지는 일은 크게 없을 것으로 보인다.[12]

GPU는 Mali 그래픽의 개선을 기다리지 않고 아예 벗어나기 위해서 준비를 하고 있었다. 우선, 자체 GPU IP 개발을 위해 Project 'S-GPU'를 진행하기도 했었고 이게 시간이 흐르면서 답보 상태에 놓이자 2019년에는 AMD의 RDNA 아키텍처를 모바일 AP에 넣을 수 있도록 커스터마이징 작업 협력을 발표하는 등 지속적으로 개선을 위해서 바둥바둥거리고 있었다.[13] 사실, 삼성전자가 수 년간 GPU와 관련된 비판을 받으면서도 Mali 그래픽을 꾸준히 사용한 이유는 보편적으로 사용하기에 가장 수월한 GPU IP라는 점이었기 때문에 Mali 그래픽을 안쓴다고해서 대체할 수 있는 대안이 딱히 없었다. 그래서 자체 GPU IP를 만들던가 아니면 모바일 AP 시장에서는 있는둥 없는둥하는 엔비디아나 AMD의 도움을 받아야 했는데 처음부터 만드는 것은 엄청난 난이도를 요구했고 엔비디아는 비협조적으로 나왔다는 카더라 통신이 꾸준히 돌았다. 결국 AMD와 함께하는 방향으로 정해진 것이다.

따라서, GPU의 개선은 빠르면 2021년, 늦으면 2022년이 되어야 가능할 것으로 전망되고 있다. 다만, 엔비디아는 Kepler 아키텍처, Maxwell 아키텍처 그리고 Pascal 아키텍처를 Tegra 시리즈에 어떻게든 꾸준히 넣었지만[14] AMD는 과거 모바일 GPU 사업을 퀄컴에게 매각한 이후로 모바일 AP에 도전한 적도 없었다. 즉, RDNA 아키텍처는 물론 과거 GCN 계열 아키텍처까지 모바일 AP에 사용된 전례가 없었다.[15] 결과적으로, CPU에 대한 전망과는 다르게 GPU는 삼성전자가 RDNA 아키텍처를 넣는다고 하더라도 냉정히 말하면 성능을 확실하게 장담할 수 없는 상황이다.[16] 그리고 엑시노스 2200 등장 후 우려대로 RDNA기반 Xclipse GPU 역시 경쟁사들에 비하면 밀리는지라 호평받지는 못하는 중이다.

5. 기타[편집]

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• 갤럭시 S20 및 S20+ 및 S20 Ultra가 실제 탑재 기기이자 최초 탑재 기기다. 그런데, 꾸준히 엑시노스 시리즈 소속 모바일 AP를 탑재하던 한국 내수용 모델은 스냅드래곤 865 SM8250이 모바일 AP로 탑재되면서 2014년 이후로 약 6년 만에 스냅드래곤 시리즈에게 한국 내수용 모델의 모바일 AP 자리를 내주고 말았다. 이 때문에 성능 문제가 발목을 잡은 것이 아니냐는 의견이 있지만 엑시노스 모뎀 5123의 생산 수율 문제 때문에 5G NR의 안정적인 지원을 위해서 넘어간 것이라는 의견도 있다. 결과만 놓고 말해서 삼성전자는 국가 및 지역 별로 이원화하는 기준을 평소와 같이 유지하고 있으면서 단지 한국 시장만 스냅드래곤 시리즈로 옮겨간 모양새를 보이고 있다.

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