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ARM이야기(2): ARM 프로세서의 탄생
Microprocessor |
2010/11/10 11:43
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최초의 상용 RISC프로세서
1999~2001년에 ARM7, ARM9호환 프로세서를 설계하면서 느꼈던 의구심은 "과연 ARM이 아키텍쳐관점에서 좋은가?" 였다. Instruction Set도 뭔가 허술하고, RISC라고 하기엔 다중싸이클(multi-cycle) 동작도 많고, 뭔가 부족한 느낌을 지울 수 없었기 때문이다.
이 후 ARM은 엄청난 성장을 이루어냈지만, 개인적으론 어떻게 ARM의 아키텍쳐가 만들어졌는지가 더 궁금하다.
관련자료를 찾던 중 몇가지 새로운 사실을 알게 되었다.
먼저 ARM이 최초의 상용 RISC 마이크로프로세서라는 것이다. 그동안 RISC프로세서의 효시는 Berkeley RISC-I(1981)이고 최초의 상용 RISC는 MIPS R2000(1985)로 알고 있었던 사실을 뒤집는 것이었다. 이 부분은 이견이 있을 수 있는데 RISC는 관점에 따라 1970년대에도 존재했기 때문이다.
어째됐건 최초의 ARM이 80년대 초반에 만들어졌다는 것은 상당히 놀라운 일이다. 8비트 컴퓨터가 대부분이고 16비트 마이크로프로세서인 인텔 80286이 막 개발된 1983년에 32비트 마이크로프로세서를 만들려고 했다는 시도 자체가 매우 놀랍다.
어떻게 ARM프로세서가 만들어졌는가?
ARM 프로세서는 Acorn Computers에서 개발하였다. Acorn Computers는 1979년에 영국에서 만들어진 회사로 애플컴퓨터에 사용했던 6502프로세서를 이용한 BBC Micro란 컴퓨터를 1982년 개발하여 큰 성공을 거두었다.
 Acorn BBC Micro (1982)
1983년 BBC Micro로 성공 거둔 Acorn Computers는 보다 높은 성능의 컴퓨터를 개발하기 위해 ARM(Acorn RISC Machine, ARM의 현재 이름인 Advanced RISC Machine과 다르다)프로세서를 개발하기 시작한다.
애플 매킨토시에 사용되었던 Motorola 68000이 이미 1979년에 만들어졌고, IBM PC에 사용된 Intel 80286도 1982년에 출시되어 사용할 수 있었는데도 불구하고 새로이 프로세서를 만들 생각을 한 배경이 궁금하지않을 수 없다.
Acorn으 BBC Micro는 애플1, 애플2와 같이 MOS Technology의 8비트 6502프로세서를 사용하고 있었으므로 이들의 기준은 6502였다. 이들은 80286을 사용한 IBM-PC가 8비트 컴퓨터인 BBC Micro보다 오히려 더 느리다는 사실을 발견했다. 특히 80286의 인터럽트가 6502의 인터럽트에 비해 엄청 느리다는 것을 알게 되었는데 그것은 사실 6502의 interrupt latency는 8비트 프로세서중에서도 가장 빠르기 때문에 그렇게 느끼는 것도 당연했다.
 인터럽트의 개념 (출처: 6502.org)
당시의 16비트 프로세서의 성능에 크게 실망한 Acorn은 획기적인 시도로 32비트 프로세서를 개발하기로 결정하였다.
지금과 같이 클록주파수나 MIPS(Million Instruction per Second)와 같은 프로세서의 성능을 나타내는 기준이 없던 시절에 이들이 세운 목표는 "BASIC으로 작성한 프로그램이 6502에서 기계어로 작성한 프로그램의 속도로 동작하는 것"이었다.
하지만 가장 큰 문제는 Acorn은 마이크로프로세서를 개발할 능력을 갖고 있지 않았다. 프로세서를 개발한 경험도 없었을 뿐만아니라 당시 마이크로프로세서를 만들던 회사들 처럼 수백명의 개발인력을 프로세서 개발에 투입할 수 있었던 것도 아니었다. ARM을 개발했던 Steve Furber와 Sophie Wilson이 주목한 것은 대학원생 몇명이 1년만에 개발한 Berkeley RISC-I이었다.
Acorn의 사장이었던 Hermann Hauser는 ARM 프로세서의 성공비결은 당시 돈도 없었고 개발인력도 없었기 때문에 단순한 구조로 개발 할 수 밖에 없었기 때문이라고 회고한다.
ARM설계에 대한 내용은 추후 연재글에서 다시 한번 자세히 다뤄보도록 하겠다.
7명이 1년반동은 첫번째 ARM프로세서를 설계하였고, 당시 ARM의 기술에 관심을 가졌던 VLSI Technology에서도 칩셋개발을 지원하였다. 첫번째 ARM프로세서 역시 VLSI Technology에서 제작되었다.
 첫번째 ARM프로세서(1985)
 Acorn Archimedes (1987)
그동안 Acorn을 창립한 Hermann Hauser는 1988년에 Active Book이라는 PDA개발 사업을 시작했다. 그리고 ARM2 Processor를 개선하여 저전력 프로세서인 ARM2aS를 개발하였다. 빠른 처리속도에 저전력 기능까지 추가된 ARM프로세서는 당시 PDA개발을 하던 애플 컴퓨터의 관심을 사게 되었고 애플의 뉴튼 메시지패드에 사용되게 되었다.
 애플 뉴튼 메시지패드(1994)
애플 뉴튼은 본래 AT&T의 Hobbit 프로세서를 사용할 계획이었으나 속도, 저전력, 저가이고 커스텀 설계가 가능한 ARM을 채택한 것은 어쩌면 당연한 일이었다. 애플의 뉴튼은 실패로 끝났으나 결국 아이폰으로 재탄생하였고 여전히 ARM프로세서를 사용하고 있다.
ARM의 독립 그리고 발전
애플이 뉴튼을 개발하는 동안 상당히 많은 영향을 만들었는데, 첫번째는 ARM프로세서를 Acorn 컴퓨터로부터 독립시킨 것이다. 앞서 설명한 것처럼 당시 Acorn 컴퓨터는 애플의 경쟁사였기 때문이었고, ARM의 약자도 Acorn RISC Machine에서 Advanced RISC Machine으로 바뀌게 된다. 1990년에 ARM이 창립되게 되고 애플과 VLSI Technology의 지원을 받게 된다.
 ARM610 (1993)
애플 뉴튼에 사용된 ARM프로세서에 관심을 갖게된 DEC(Digital Equipment Corportation)에서는 1995년 ARM 명령어를 license하여 StrongARM을 개발하기 시작한다. 1995년에 개발된 StrongARM SA-110은 최대 200MHz까지 동작했다. DEC의 경영위기로 인해 StrongARM은 1997년 인텔에 매각되었으며 인텔은 StrongARM을 바탕으로 StrongARM-2와 XScale을 개발한다. 하지만 인텔은 XScale을 제대로 활용하지 못하고 결국 2006년 Marvell에 다시 매각한다.
 DEC에서 개발한 StrongARM(1995)
 ARM Cortex-A8을 사용한 A4프로세서(2010)
2010/11/10 11:43 Donny  |
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ARM이야기(1): ARM과 인텔 x86 아키텍쳐
Microprocessor |
2010/11/08 14:21
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지난 15년간 ARM에 대해 가졌던 여러가지 생각들, 기술적인 내용, 개인적인 추억 등을 ARM 호환 프로세서를 설계했던 설계자 입장에서 써보려고 합니다. 2010.11. 0donnyARM과의 첫 만남
ARM(Advanced RISC Machine)에 대해 처음 알게 된 것은 1996년이었다. 당시 GEC-Plessey의 GPS Chipset과 호환 되는 칩셋 개발에 참여했었는데 ARM60이라는 생소한 프로세서를 사용하는 것을 알게 되었다. 아주 작은 칩이었는데 인텔 80386 보다 빠르다는 것이었다.
임베디드(embedded)라는 개념조차 없던 시절. 당시에 추측하기론 80386의 인터럽트 반응이 느리기 때문에 반응이 빠른 ARM60의 성능이 높은 것뿐이지 복잡한 연산은 당연히 386이나 486이 빠를 것이라고 생각했었다. 불과 조금 전까지...
혹시나 해서 자료를 찾아보니 ARM60의 성능이 80386 보다 높고, ARM60에 4K cache를 추가한 ARM610은 486 초기 제품과 동등한 수준이었다. 회로적인 복잡도의 차이를 생각하면 이것은 엄청난 성능이다. 게다가 인터럽트 반응은 ARM이 월등히 빠르니 이후 리얼타임 임베디드 분야(real-time embedded application)에 ARM이 승승장구한 것은 자연스러운 일이었다.
초기 ARM코어(ARM1 ~ ARM6)는 겨우 트랜지스터 3만개로 이루어져있다.
트랜지스터 7만개의 모토롤라 68000의 절반, 27만개가 넘는 80386의 10분의 1밖에 안되니 ARM Architecture는 상당히 간결하다는 사실을 짐작할 수 있다.
 ARM1의 구조(1985)
 80386의 구조(1985)
ARM1과 80386의 실제 칩 내부를 비교해보면, ARM Core에는 없는 MMU(Memory Management Unit)가 존재한다. 본래 x86은 16-bit 구조이었기 때문에 64Kbyte(=2^16) 보다 큰 메모리의 접근을 위해 MMU가 불가피한 반면, ARM은 32-bit 구조(초기엔 26-bit 주소)라 MMU가 없어도 4Gbyte까지 메모리 접근이 가능했다.
MMU를 배제하고 Core부분만 비교해도 ARM1의 면적은 80386의 4분의 1정도밖에 되지않는다.
RISC 명령의 간결함이 명령어 디코더(Instruction Decoder)의 크기와 명령어 시퀀서(Instruction Sequencer)의 크기에 얼마나 큰 차이를 만드는 지 알 수 있다. ARM1은 PLA한개를 이용해 명령어 를 해석(decode)하고 또다른 PLA하나로 실행(sequence)하는 반면, 80386은 3개의 PLA로 명령어를 해석하고 커다란 Microcode ROM을 이용하여 명령어를 실행하도록 설계되어있다.
ARM초기설계에 대한 상세한 내용은 The History of ARM Architecture를 참고하기 바란다.
15년이 지난 지금...
놀랍게도 ARM은 Intel과 전쟁을 벌이고 있다.
작년 11월 ARM Technical Symposium에 참석했을 때, ARM은 Intel과의 전면전을 선언한 듯 보였다. "꿈에도 생각 못한 상황이 벌어진다", "게임의 법칙이 바뀌고 있다"며 Windows/Intel를 상대로 승산이 있다고 했다.
Smartphone의 붐과 Android와 Chrome OS의 선전을 바탕으로 Smartphone과 Netbook의 중간에 새로운 시장이 생길 것으로 보고 이를 선점하기 위한 Ecosystem을 구축하기 위해 막대한 투자를 하고 있는 것으로 보였다.
ARM과 Intel중 누가 승리할 것인가에 대해 많은 추측들이 있고 ([1],[2],[3],[4],[5])
ARM이 Mobile Market에서 승리할 것이라고 예견하는 견해도 적지않다.([1],[2],[3]) 개인적으로는 ARM의 승리를 응원한다.
지난 9월 ARM은 최신 프로세서 아키텍쳐인 Cortex A-15를 발표했다.
이미 ARM의 Cortex-A8과 Cortex-A9이 동일 클록주파수 기준으로는 Intel의 Atom 프로세서보다 성능이 빠르지만, 2.5GHz까지 동작하는 Cortex-A15의 발표로 Intel에 확실한 비교 우위를 차지하려는 것으로 보인다.
2010/11/08 14:21 Donny |
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2010/11/10 
Innovate or Die
