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1. 개요
2. 라인업
3. GPU
3.1. 삼성 독자 개발 GPU (S-GPU)
4. 문제
4.1. 보안 문제
5. vs 퀄컴 스냅드래곤 과의 성능 우위 비교
6. 관련 문서

1. 개요

공식 홈페이지

삼성전자에서 설계한 SoC를 포함한 모바일 프로세서 브랜드. 엑시노스는 "깨어나다"라는 뜻의 그리스어 Exypnos에서 따온 이름이다.

ARM Holdings에서 개발한 마이크로아키텍처의 라이센스를 구매하여 설계하고 있다. 엑시노스 SoC의 설계와 개발은 삼성 S.LSI 사업부에서, 생산은 파운드리 사업부에서 담당하고 있다.

삼성 갤럭시 대부분 제품에 엑시노스 AP가 사용된다. 글로벌 표준 모델 기준이 엑시노스고 성능은 스냅드래곤과 비등비등 하니, 삼성전자 본진인 한국 시장을 포함해서 대부분의 국가에는 엑시노스가 들어가는 편.

그러나 미국과 중국 일본 등 일부 국가에서는 퀄컴 스냅드래곤이 사용되는데, 세계 최대의 이동통신 시장인 중국은 중국 당국의 통신 모뎀 인증 문제가 큰 국가이고, 미국은 퀄컴의 입김이 강하며[1] 삼성 엑시노스 모뎀의 CDMA 통신 규격 문제로[2] 퀄컴의 모뎀을 사용해야만 하는 상황과 퀄컴의 최신 AP & 최신 모뎀 동시 판매 정책으로 인해 퀄컴 스냅드래곤 AP가 사용된다.

사실 중국 차이나유니콤차이나모바일, 미국 AT&TT-모바일 US는 WCDMA & TD-SCDMA 사업자라서 그냥 엑시노스 AP를 사용할 수도 있지만 미국이 퀄컴의 텃밭인 것과 미국 이동통신사들이 퀄컴의 주주인 것을 비롯해서 모종의 이유로 인해서 미국, 중국은 차이나텔레콤, 버라이즌, 스프린트, US 셀룰러와 같이 묶어서 퀄컴의 AP를 사용한다.

일본과 홍콩 캐나다는 엑시노스와 스냅드래곤이 혼용된다.

물론 피치 못한 상황엔 엑시노스나 스냅드래곤 중 하나를 독점적으로 사용하기도 한다. 갤럭시 노트3은 LTE-A 지원을 위해 한국 내수용에도 퀄컴 스냅드래곤 800을 사용했다. 그리고 화룡 810은 극심한 발열 문제로 삼성은 아예 구매조차 하지 않았으며, 갤럭시 S6, 갤럭시 S6 엣지, 갤럭시 S6 엣지 플러스갤럭시 노트5 전 모델이 삼성 엑시노스 7420을 탑재했다.

드물게 삼성 스마트폰 외의 기기에서도 엑시노스를 쓴다. 대표적으로 오드로이드ZTE·메이주 같은 중국계 스마트폰 제조사의 제품, 삼성에서 제조하는 크롬북 일부 모델에 엑시노스가 채택되었고 최근에는 아우디의 인포테인먼트 시스템에도 공급했다. 이외에도 내비게이션이나 임베디드 기기 등을 제작하는 다른 회사에서 쓸 수 있도록 엑시노스 기반의 SoC를 따로 제작한다.

2017년 3분기 기준 모바일 SoC 시장에서 퀄컴, 애플, 미디어텍에 이어 4위의 점유율을 기록하고 있다.#

IHS Markit에 따르면, 2019년 3분기 기준 모바일 SoC 시장에서 퀄컴, 미디어텍에 이어 3위를 차지하고 있다. 이는 안드로이드 스마트폰 제조사중 큰 비중을 차지하는 삼성, 화웨이 양사가 자사 스마트폰에 자사 AP를 넣는 비중을 더 크게 늘렸기 때문이다.

2. 라인업

크게 모바일 AP, ModAP, 통신 모뎀, RF칩으로 나뉜다.#

모바일 AP는 통신 모뎀 솔루션이 내장되어 있지 않은 AP, ModAP는 통신 모뎀 솔루션이 내장되어 이동통신 네트워크를 모바일 AP에서 지원하는 원칩 AP를 의미한다.

자세한 내용은 아래 문서 참조.

2.1. 통신 모뎀

/통신 모뎀 솔루션 참조.

3. GPU

ARM Mali 그래픽GPU IP 라이센스를 취득해 주력으로 사용하나, 이로 인해 퀄컴 Adreno 시리즈 대비 성능, 전성비, 발열 특성&스로틀링 특성이 떨어지고 벤치마크 성능과는 별개로 실제 성능마저 폐급이라는 ARM Mali 그래픽의 단점을 그대로 떠안게 되었다.

최신 API를 Adreno보다 더 잘 지원한다고는 하지만 아이러니하게 퀄컴 Adreno가 그것을 지원하지 못하는 상황에서는 Adreno에 맞춰서 개발해야 하기 때문에 장점이 되지는 못한다.

그러나, 삼성전자Mali 그래픽을 사용하면서 시스템 LSI 사업부가 가진 우월한 공정을 무기로 그렇게 큰 문제를 보여주지는 않는 것으로 보인다. 전력 대 성능비 부분에서는 호평을 받은 우드가르드 아키텍처를 사용한 ARM Mali-400 쿼드코어는 문제되지 않고, 전력 대 성능비로 인해 비판받는 미드가르드 아키텍처를 사용한 ARM Mali-T628 헥사코어의 경우 3~4 W정도 전력을 소모[3]하고, ARM Mali-T604는 스마트폰에는 탑재되지 않았으며 엑시노스 7 Octa (5433)의 ARM Mali-T760 헥사코어는 5~6 W 정도 소모하지만 실제 갤럭시 노트4를 보면 배터리쪽으로 큰 문제는 터지지 않았다. ARM Mali-T760 옥타코어는 20nm HKMG 공정에서 14nm FinFET LPE 공정으로 미세화된 효과까지 받아 4W 후반대 정도의 전력을 소모되는 것으로 추산되고 있다.

그러나, ARM Mali-T800번 대 시리즈로 넘어오면서 동세대 경쟁작 대비 성능이 20%가량 낮고, 전력효율이나 호환성 측면에서 Midgard 아키텍쳐의 한계점을 보여주며 불안한 모습을 보여주었다. Bifrost 아키텍쳐가 사용된 Mali-G71에 들어서면서 성능, 호환성 측면에서 꽤나 큰 개선이 이뤄졌지만, 엑시노스 9810에 들어간 Mali-G72에서는 처참한 성능개선으로 꽤나 많은 비판을 받았다. Mali-G76에서는 연산 레인을 두 배로 늘리고, 쉐이더의 효율을 높여서 최대 코어수를 줄이는 등 크게 개선된 상황. 그러나 아직 경쟁사의 Adreno GPU 대비 아쉬운 모습을 보이고 있다.

Mali-G77부터는 다시 새로운 GPU 아키텍쳐를 사용할 예정이며, 이는 엑시노스 990에 들어가게 된다.

아난드텍의 자료를 보면 최적화가 어느 정도 진행된 Open GL ES 2.5환경에서는 경쟁 AP에 탑제되는 Adreno 시리즈에 크게 밀리지 않는 전성비를 보여주나, 최적화가 지진부진한 최신 API로 갈수록 전성비가 떨어지는 상황. 이는 2020년 현시점에는 꽤나 큰 개선이 이루어지긴 했다.

보통 같은 Mali GPU를 사용하는 화웨이 하이실리콘이나 미디어텍 Helio보다는 높은 전성비를 보여주고 있다. 이는 쉐이더코어가 많고 클럭이 낮은 구성 덕인 것으로 보인다.

3.1. 삼성 독자 개발 GPU (S-GPU)

삼성 엑시노스 시리즈의 고질적인 약점이라고 평가받는 ARM Mali GPU를 대체하고, 더 나아가서 HPC 시장 등에 진출하기 위해 삼성전자가 자체적인 In-House GPU를 개발한다는 소식이 있었다. 물론 마지막 문단에서 보면 알다시피 현재는 프로젝트 자체가 드랍된것으로 보인다. 정황상 그룹 내에서 2013년부터 개발이 진행되었고, 본격적으로 S.LSI가 해당 프로젝트를 맡기 시작한 시점은 2016년 12월 경이었던 것으로 보여진다.

2017년 6월, 삼성전자 반도체 미국 법인에서 차세대 GPU 개발 전담 팀을 신설하고 하드웨어 및 소프트웨어 경력 엔지니어들을 채용 중인 것으로 전해졌다. 삼성전자 스마트폰에 탑재될 모바일 그래픽 처리장치(GPU)를 독자 개발 중인 것으로 전해졌다.

2018년 7월 소식에 따르면 차기작인 엑시노스 9820에 여전히 ARM Mali GPU가 탑재될 확률이 높으며, 삼성전자는 저가형 스마트폰 GPU에 초점을 맞추고 있다고 한다.# 아직까지도 자체개발 GPU 탑재는 요원하다.

2018년 8월 소식에 따르면 S-GPU성능이 높아 저가형보단 플래그쉽에 장착이 될 확률이 높다고 한다.# 2020년 ARM의 Mali GPU의 라이센스 계약이 끝나 갤럭시 S11부터 S-GPU탑재 가능성이 높으며 6nm/5nm LPP공정에서 생산을 한다고 한다. 또한 삼성이 엔비디아의 엔포스 IGP(내장형 그래픽 프로세서)칩의 개발자를 고용했다고 하여 그래픽 카드를 만드는것 아니냐는 소리도 있다. #

2019년 6월 3일, 삼성전자는 AMD과 협력을 공식적으로 발표했다. AMD의 최신 RDNA 아키텍처를 기반으로 GPU개발이 이루어질 것으로 예상된다.# 인-하우스 GPU 개발이 원하는 만큼의 성능을 얻지 못했다고 하고, GPU 개발 인력이 상당수 드랍되었다는 말이 나오는 상황. 본격적인 탑재는 2021년에 이뤄질것으로 예측된다.

4. 문제

4.1. 보안 문제

2012년 12월, 엑시노스 4 시리즈의 커널소스에서 보안 취약점이 발견되었다. 피지컬 메모리에 직접접근이 가능한 결함이다. 이것을 이용하여 원클릭으로 루팅을 하는 애플리케이션공개되기도 했다. 삼성전자에서는 해당 문제를 파악하고 패치 작업을 진행 중이라고 밝혔다. 이 문제는 갤럭시 노트 10.1를 시작으로 하여 2013년 상반기에 패치를 완료하였다.

5. vs 퀄컴 스냅드래곤 과의 성능 우위 비교

삼성 엑시노스와 퀄컴 스냅드래곤은 수많은 안드로이드 스마트폰에 사용되고 있는 스테디셀러 AP 시리즈이다. 2019년 3분기 기준 애플의 iOS가 들어가는 아이폰을 제외하면, 안드로이드 스마트폰 내에 들어가는 AP는 스냅드래곤과 엑시노스가 점유율 측면에서 각각 1위, 3위를 차지한다. 현재 2위를 차지하는 미디어텍은 주로 중저가용 AP에 집중하기 때문에 많은 안드로이드 스마트폰 이용자들은 이 두 스테디셀러 AP 시리즈의 성능 우열 구도에 관심을 가지는건 당연한 일이다.

두 AP 시리즈의 성능 우열 구도가 고정적이라고 생각할수도 있겠지만, 두 AP 시리즈는 모두 출범한지 10년이 넘어가는 중이고, 따라서 성능 우열 구도는 절대적이지 않다는걸 알아두는게 중요하다. 대략적으로 요약해봤을때 AP를 설계하는 양사의 정책적인 실수로 인해 2~3년마다 성능 우열 구도는 변하는 중이고, 앞으로도 그럴 가능성이 매우 높다.

스냅드래곤 S1~S4는 동시기에 출시되던 엑시노스 3110~엑시노스 4412 대비 상대적 열세라는 평가를 받았다. 일단 첫번째 이유로는 각종 벤치마크에 CPU나 GPU의 하드웨어적 스펙차이가 드러났기 때문이다. 이는 Scorpion 시리즈 대비 Cortex-A8/A9 시리즈가 구조적으로 더욱 우수하였고, SGX540과 Mali-400 시리즈가 카운터파트인 Adreno 2XX 시리즈 대비 성능적인 우위를 점했기 때문이다. 설상가상으로 스냅드래곤 S3에서 열 관리 측면의 실패 문제가 터져나왔고 이로 인하여 스냅드래곤에 대한 악평이 생겨났다. 열 관리 측면에서는 S4에서 부터 개선이 이뤄진다.

해당 성능 우열구도는 삼성이 갤럭시 노트 2에 엑시노스 4412를 거의 그대로[4] 넣은데 비해 퀄컴이 그해 하반기부터 스냅드래곤 S4 Pro를 투입시키면서 뒤바뀌게 된다. 공정상으로는 여전히 삼성의 32nm가 TSMC의 28nm 대비 HKMG로 인한 우위를 점하고 있었지만, 근본적으로 Krait 쿼드코어는 Cortex-A9 대비 아키텍쳐적인 우위를 점하였고 Adreno 320 또한 Mali-400MP4 대비 아키텍쳐적 우위를 점하였기 때문이다. 그리고 이 시기부터 퀄컴은 삼성 엑시노스 대비 GPU 성능면에서의 우위를 점하기 시작하였고, 7420과 같은 특이 케이스를 제외하면[5] 그래픽 성능 면에서는 거의 항상 동등[6] 혹은 우위의 성능을 점하였다.

S4 Pro부터 시작된 퀄컴의 전성기는 스냅드래곤 800/801이 나올때까지 거의 그대로 유지된다. 일단 시장면에서 퀄컴은 통신칩 시장을 바탕으로 퀄컴 스냅드래곤의 우위를 장악하는데 성공했고, CPU 성능면에서는 어떨지 몰라도 GPU에서는 항상 삼성 엑시노스 대비 비교우위를 점하였기 때문이다.

이러한 우위 구도는 삼성이 갤럭시 노트 4에 자사의 엑시노스 5433을 탑재하면서 달라지게 된다. 엑시노스 5433은 퀄컴 스냅드래곤 805에 비해 공정상의 우위를 점하였고[7], CPU 아키텍쳐 면에서도 Cortex-A57은 훨씬 거대해졌고 그만큼 IPC도 더 늘어났기 때문이다. 퀄컴은 자사의 Krait 450을 2.7Ghz까지 높였지만, A57의 성능을 따라잡기에는 역부족이었던 것으로 보인다.

그 이후로 삼성은 엑시노스 7420에서 Cortex-A57의 전력소모량을 코어당 1W 중반 선으로 성공적으로 억제한 반면, 퀄컴은 스냅드래곤 810의 전력과 발열을 제어하지 못하였고, 이로 인해 퀄컴은 또 한번 오명을 뒤집어 쓰게 된다.[8] 스냅드래곤 820에서 대대적인 개선이 이뤄지나 역시 엑시노스 8890 대비 CPU 성능, 효율[9] 면에서의 격차를 극복할수는 없었다.

퀄컴은 스냅드래곤 835부터 자체적으로 설계한 ARMv8 기반 아키텍쳐인 Kryo를 드랍시키고, 대신 ARM Cortex-A7X 시리즈를 세미커스텀하여 Kryo XXX 시리즈라는 명칭을 붙였다. 반면 삼성은 자사 Exynos M 시리즈를 M5까지 그대로 유지하였다. 양사의 이 판단으로 인하여 2020년 현재 우리가 보는 성능 우열 구도가 형성되었다.

퀄컴은 스냅드래곤 835를 내놓으면서 성공적으로 반등하기 시작했다. 엑시노스 8895는 CPU, GPU 성능 면에서는 스냅드래곤 835와 동급이었으나, 전력효율면에서 835 대비 열세라는 평가를 받았다.

본격적으로 퀄컴이 앞서기 시작했다는 여론이 형성된 시기는 2018년 부터이다. 삼성은 엑시노스 9810을 내놓으면서 자사 CPU의 IPC를 M2 → M3에 큰 폭으로 개선시켰으나, 곧 여러가지 문제점을 마주치게 된다. CPU 아키텍쳐 자체적인 사이즈는 훨씬 컸으나 이러한 문제점들 때문에 실사용 환경에서 스냅드래곤 845가 종합적인 우위를 장악하기 시작한다. 855와 9820이 격돌한 2019년 상반기에도 해당 구도는 거의 그대로 유지되었고, 이로 인해 7nm EUV 공정으로 생산된 9825가 투입되게 된다.

865와 990이 격돌하는 2020년 상반기에도 해당 기조는 거의 그대로 유지될것으로 보인다. M5 CPU에 비해 ARM의 Cortex-A77은 더 높은 전력효율을 가지고, 프론트엔드도 6-wide로 확장되었기 때문에 Geekbench 5나 SPECint/fp 상에 측정되는 성능도 밀리지 않을 것으로 예상되기 때문이다. 머신 러닝에 사용되는 AI 연산능력 또한 15TOPS vs 10TOPS로 스냅드래곤 865가 우위를 점하고 있다. ARM Mali GPU 시리즈 또한 Midgard 아키텍쳐를 Bifrost 아키텍쳐가 대체한 이후부터 면적, 성능, 전력 측면에서 세대마다 지속적인 개선이 이뤄졌고, G76부터는 성능, 전력 측면에서는 거의 동급의 수준까지 따라잡았지만, 실사용 측면에서는 여전히 밀리는 상황.[10]

삼성 5nm LPE 공정이 본격적으로 가동되고, ARM 레퍼런스 IP가 사용되기 시작할 시기에는 이런 구도 또한 다시 뒤바뀔지도 모른다.

6. 관련 문서

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  1. [1] 미국은 전통적으로 퀄컴의 텃밭이였고, 로열티 문제가 큰 국가라서 울며 겨자먹기로 퀄컴의 칩을 사용 할 수밖에 없다고 한다. 갤럭시 S6은 스냅드래곤 810이 문제가 심각해서 미국 시장에도 엑시노스가 들어갔고 로열티를 전부 지불했다.
  2. [2] 미국의 버라이즌 와이어리스스프린트, US 셀룰러, 중국의 차이나텔레콤CDMA2000을 3세대 이동통신으로 서비스 하는 사업자들이다.
  3. [3] 엑시노스 5260은 이보다 더 적은 ARM Mali-T628 트리플코어를 사용한다.
  4. [4] Cortex-A9 쿼드코어를 1.6GHz, Mali-400 4클러스터 GPU를 533MHz까지 팩토리 오버를 시키긴 했다.
  5. [5] 810 개선버젼은 7420을 넘긴 한다. 쓰로틀링때문에 의미는 없지만
  6. [6] 8895에서는 성능상으로는 동등, 그러나 전력효율은 엑시노스가 열등하고 9825에서는 성능, 효율 모두 동등.
  7. [7] 20LPE vs 28HPM
  8. [8] 사실 현재 삼성의 M3이나 애플의 빅코어도 각각 3W, 4W 수준의 전력을 소모한다. 그러나 전자는 부스트 클럭 메카니즘이 적용되어 있고, 후자는 애초에 빅코어의 수가 2개로 한정되어 있기 때문에 비교적 성공적인 컨트롤이 가능해진 케이스.
  9. [9] 실제 전력효율 면에서는 820의 Kryo가 우위였으나 여러가지 요인으로 인해 실사용 환경에서는 뒤지게 된다.
  10. [10] G76 이전까지의 ARM Mali의 실망스러운 성능만 보고 ARM Mali를 혹평하는 사람들이 많지만, 의외로 G76부터는 면적 측면을 제외하면 퀄컴 Adreno에 비해 그리 큰 차이를 보이진 않는다. 면적을 많이 차지하고 이로 인하여 다이당 단가가 늘어나겠지만 이는 칩 설계사 입장에서야 단점이지 최종 소비자 입장에서는 아무래도 상관없는 문제이기 때문.
 
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