인텔 i860

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1. 개요
2. 기술적인 특징
3. 성능 (문제점)
4. 버전과 사용 사례
5. 한계와 의의
참조

1. 개요

인텔 i860은 VLIW 아키텍처와 빠른 부동소수점 연산 기능을 특징으로 하는 마이크로프로세서이다. 32비트 ALU와 64비트 FPU를 갖추고 있으며, 그래픽 및 부동소수점 연산에 특화되어 설계되었다. i860은 슈퍼컴퓨터, 워크스테이션의 그래픽 가속기로 사용되었으나, 컴파일러 최적화의 어려움과 문맥 교환 문제로 인해 실제 성능이 이론에 미치지 못했다. MIPS 아키텍처 등 경쟁 칩에 밀려 워크스테이션 시장에서 큰 성공을 거두지 못했고, 이후 인텔은 RISC 라인을 ARM 기반의 XScale로 대체했다. 비록 상업적으로는 실패했지만, i860의 VLIW 아키텍처와 SIMD 명령어 지원은 훗날 인텔 프로세서 기술 발전에 영향을 주었다.

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인텔 i860
Intel i860 정보
인텔 i860 마이크로프로세서 (50MHz XP 버전)
설계자	인텔
생산 시작	1989년
생산 종료	1990년대 중반
비트 수	32/64비트
소개 년도	1989년
디자인	RISC, VLIW
유형	로드-스토어
인코딩	고정
분기	비교 및 분기
엔디언	양방향
페이지 크기	4 KB
확장 기능	64비트 그래픽 유닛
범용 레지스터	32개 32비트
부동 소수점 레지스터	32개 32비트 (16개 64비트)
최소 클럭 속도	25 MHz
최대 클럭 속도	50 MHz
패키지	168핀 세라믹 PGA
생산자	인텔
코어 수	1

2. 기술적인 특징

i860은 VLIW(Very Long Instruction Word) 아키텍처와 빠른 부동소수점 연산 기능을 주요 특징으로 가지고 있었다.^[4] 32비트 ALU와 64비트 FPU를 갖추고 있었으며, FPU는 덧셈기, 곱셈기, 그래픽 프로세서의 세 부분으로 구성되었다. ALU와 부동소수점 덧셈기, 곱셈기는 독립된 파이프라인을 가지고 있어 한 클럭에 여러 작업을 처리할 수 있었다. 즉, 정수 명령어와 부동소수점 곱셈 및 덧셈/뺄셈을 포함하는 명령어를 동시에 처리할 수 있었다.^[1]^[5]

모든 버스는 64비트 이상으로 구성되었으며, 캐시에 연결된 내부 메모리 버스는 128비트였다. 32개의 32비트 레지스터를 갖추고 있었지만, FPU에서는 16개의 64비트 레지스터로 사용되었다. ALU 명령어를 한 번에 두 개씩 가져와(fetch) 64비트 외부 버스를 최대한 활용했다. 인텔은 이러한 설계를 "i860 64비트 마이크로프로세서"라고 불렀다.^[6]^[22]

그래픽 유닛은 FPU 레지스터를 사용하는 64비트 정수 유닛으로, 기본적인 64비트 정수 연산과 함께 여러 SIMD 명령어를 지원했다. i860의 그래픽 유닛은 훗날 인텔 펜티엄 프로세서에 추가되는 MMX (명령어 집합) 기능에 영향을 주었다.^[5]

i860은 각 기능 유닛의 파이프라인에 프로그램으로 접근할 수 있다는 독특한 특징을 가지고 있었다. 컴파일러는 파이프라인을 가득 채운 상태로 유지하도록 명령어를 배열해야 했다. 일반적인 아키텍처에서는 이러한 작업이 CPU 내부에 내장된 스케줄러에서 처리되었지만, 초기 RISC 설계에서는 이러한 복잡한 시스템을 적용하기 어려웠다. i860은 이 작업을 컴파일러에 맡겨 칩 내부에 더 많은 공간을 확보하여 성능을 향상시켰다. 그 결과 i860은 그래픽과 부동소수점 연산을 매우 빠르게 실행할 수 있었지만, 일반적인 용도의 프로그램을 작성하기는 어려웠다.^[21]

3. 성능 (문제점)

i860은 단일 칩으로서 매우 인상적인 성능을 보였지만, 실제 성능은 그에 미치지 못했다. 실행 시 코드 흐름을 예측하기 어려워 컴파일러가 명령어를 정확하게 배열하기가 매우 힘들었다. 예를 들어, 두 숫자를 더하는 명령어가 캐시에 데이터가 없으면 매우 오랜 시간이 걸리는데, 프로그래머는 데이터가 캐시에 있는지 알 수 없었다. 예측이 틀리면 데이터를 기다리며 모든 파이프라인이 멈추게 되었다.^[9] i860의 설계는 컴파일러가 이러한 작업을 효과적으로 처리하는 것을 전제로 했지만, 실제로는 거의 불가능했다.^[10] XP 버전은 이론상 최대 60-80 M FLOPS의 성능을 보였지만, 어셈블러로 작성해도 40 MFLOPS 정도였고, 대부분의 컴파일러에서는 10 MFLOPS의 성능을 내기도 어려웠다.^[24]

또 다른 문제는 문맥 교환을 빠르게 처리할 수 없었다는 점이다. i860은 ALU와 FPU 부분마다 독립된 파이프라인을 가지고 있었는데, 인터럽트가 발생하면 파이프라인 안의 데이터가 유실되어 복귀 시 모든 데이터를 다시 로드해야 했다. 이는 최소 62 사이클, 최악의 경우 거의 2000 사이클이 걸렸다. 이는 40MHz에서 1/20000초(50 마이크로초)로, CPU에게는 매우 긴 시간이었다. 이러한 점 때문에 i860은 범용 CPU로 사용되지 못했다.

4. 버전과 사용 사례

i860은 XR(코드명 N10)과 XP(코드명 N11)의 두 가지 버전으로 출시되었다. i860 XR은 25MHz, 33MHz 또는 40MHz의 클럭 속도로 동작하는 초기 버전이었다.^[3] i860 XP는 더 큰 캐시, 2차 캐시 지원, 더 빠른 버스 및 병렬 컴퓨팅 시스템에서 캐시 일관성을 유지하기 위한 버스 스누핑(Bus Snooping) 기능을 갖춘 개선된 버전이었다.^[3] XP는 40MHz 또는 50MHz의 클럭 속도로 동작했으며, 생산 공정을 1μm에서 0.8μm로 미세화하여 성능을 향상시켰다.^[3] 두 버전 모두 동일한 명령어 집합을 사용했다.

i860은 초기에는 로스앨러모스 국립 연구소의 iPSC/860과 같은 슈퍼컴퓨터에 주로 사용되었다. 인텔은 i860을 워크스테이션 시장에도 진출시키려 했으나, MIPS 및 SPARC 아키텍처 기반의 칩 등과의 경쟁에서 큰 성공을 거두지 못했다. 오키 전기 OKI 스테이션 7300/30^[12] 및 스타덴트 비스트라 800^[13] 유닉스 워크스테이션은 40MHz i860 XR을 기반으로 UNIX System V/i860을 실행했다.^[14] 하우포그 4860^[15] 및 올리베티 CP486^[16]은 인텔 80486과 i860을 동일한 마더보드에 탑재했다.

마이크로소프트는 윈도우 NT 개발 초기 단계에서 i860 기반 워크스테이션(코드명 Dazzle)을 사용했으나,^[17] 최종적으로는 MIPS (재즈), 인텔 80386 등 다른 프로세서로 이식되었다. NT라는 명칭은 i860 XR의 코드명 "N-Ten"에서 유래되었다고도 한다.^[25]

i860은 워크스테이션 분야에서 그래픽 가속기로도 활용되었다. 예를 들어, NeXTdimension에서 사용되었는데, 여기에서 Mach 커널의 기능을 줄인 버전에서 완전한 포스트스크립트를 실행했다. 트루비전은 Targa 및 Vista 프레임버퍼 카드와 함께 사용하기 위한 i860 기반 가속기 보드를 생산했다. 픽사는 렌더맨의 사용자 지정 버전을 개발하여 i860 기반 카드에서 실행했는데, 이는 386 호스트보다 약 4배 빠르게 동작했다. 다른 예로, SGI의 RealityEngine은 기하학 엔진에서 여러 개의 i860XP 프로세서를 사용했다.

1990년대 말, 인텔은 ARM 기반의 XScale로 RISC 생산 라인 전체를 교체하였다. 860이라는 제품 번호는 인텔 Xeon 시스템용 메인보드의 칩셋에 다시 사용되어 혼란을 야기하기도 했다.

5. 한계와 의의

i860은 종이 상의 성능은 단일 칩 솔루션으로 인상적이었지만, 실제 성능은 그렇지 못했다. 당시에는 인식하지 못했을 수도 있는 한 가지 문제는 런타임 코드 경로를 예측하기 어렵다는 점으로, 이는 컴파일 타임에 명령어를 제대로 정렬하기가 매우 어렵다는 것을 의미한다. 예를 들어, 두 숫자를 더하는 명령어는 해당 숫자가 캐시에 없는 경우 훨씬 더 오래 걸리지만, 프로그래머는 그 숫자가 캐시에 있는지 여부를 알 수 없다. 잘못된 추측을 하면 전체 파이프라인이 데이터 대기 상태로 중단된다. i860 전체 설계는 컴파일러가 이 작업을 효율적으로 처리하는 데 기반을 두었지만, 실제로 거의 불가능한 것으로 나타났다. XP 버전의 경우 이론적으로 단정밀도와 배정밀도 모두 약 60-80MFLOPS의 피크 성능을 낼 수 있었지만,^[9] 수동으로 작성된 어셈블리어 코드는 약 40MFLOPS까지 달성했으며, 대부분의 컴파일러는 10MFLOPs도 얻기 어려웠다.^[10] 이후 아이테니엄 아키텍처 역시 VLIW 설계였으며, 충분히 최적화된 코드를 제공할 수 없는 컴파일러 문제로 다시 어려움을 겪었다.

또 다른 심각한 문제는 컨텍스트 스위치를 빠르게 처리할 수 있는 솔루션이 없다는 것이었다. i860은 여러 파이프라인(ALU 및 FPU 부분용)을 가지고 있었고, 인터럽트가 발생하면 파이프라인이 유실되어 모두 다시 로드해야 했다. 이는 최상의 경우 62 사이클이 걸렸고 최악의 경우 거의 2000 사이클이 걸렸다. 후자는 40MHz에서 1/20000초(50 마이크로초)로, CPU에게는 매우 긴 시간이다. 이로 인해 i860은 범용 CPU로서의 기능을 거의 상실했다.

컴파일러가 개선됨에 따라 i860의 전반적인 성능도 향상되었지만, 그 당시에는 대부분의 다른 RISC 설계가 이미 i860의 성능을 넘어섰다.

1990년대 후반, 인텔은 RISC 라인 전체를 ARM 기반 설계로 대체했는데, 이는 XScale로 알려졌다. 혼란스럽게도 860이라는 숫자는 이후 인텔 제온 (고급 펜티엄) 시스템용 마더보드 제어 칩셋과 코어 i7의 한 모델에 재사용되었다.

앤디 그로브는 i860의 시장 실패가 인텔이 지나치게 분산된 데 기인한다고 언급했다.

i860은 VLIW 아키텍처와 SIMD 명령어 지원 등 훗날 인텔 프로세서 기술 발전에 영향을 주었다. 특히 MMX 명령어는 i860의 그래픽 유닛에서 영향을 받았다고 알려져 있다. i860은 결과적으로 실패한 프로젝트로 평가받지만, 컴퓨터 아키텍처 발전 과정에서 중요한 실험적 시도 중 하나로 기록되고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 The First Million-Transistor Chip: the Engineers' Story https://spectrum.iee[...] 2022-07-02
_[2] 간행물 "The Intel386 Architecture Here to Stay" Intel Corporation, Microcomputer Solutions 1989-07
_[3] 웹사이트 The i860 XP - Second Generation of the i860. http://www.hotchips.[...] 2015-02-22
_[4] 논문 Introducing the Intel i860 64-Bit Microprocessor IEEE Computer Society 1989-08
_[5] 서적 i860 64-bit Microprocessor Programmer's Reference Manual http://www.bitsavers[...] Intel
_[6] 논문 The Intel i860 64-Bit Processor: A General-Purpose CPU with 3D Graphics Capabilities IEEE Computer Society 1989-07
_[7] 웹사이트 The Chip Collection - i860 Microprocessor - Smithsonian Institution http://smithsonianch[...]
_[8] 웹사이트 i860™ 64-bit Microprocessor Programmer's Reference Manual http://www.bitsavers[...] 2023-12-21
_[9] 웹사이트 Intel i860 : 64-Bit Microprocessor http://www.microproc[...] sscc.ru, ICMMG 2013-09-27
_[10] 간행물 Performance Results on the Intel Touchstone Gamma Prototype https://www.nas.nasa[...] NASA Ames Research Center 1990
_[11] 웹사이트 Intel's 486 CPU turns 15 http://www.geek.com/[...] 2004-06-03
_[12] 웹사이트 Oki Electric OKI Station 7300/30-Computer Museum http://museum.ipsj.o[...]
_[13] 웹사이트 Intel i860 - From Here to There http://blog.garritys[...]
_[14] 웹사이트 KUBOTA Computer/Stardent AVSstation Titan Vistra 800 http://computer-zoo.[...] 2014-05-14
_[15] 웹사이트 GeekDot - Hauppauge 4860 http://www.geekdot.c[...] 2008-03-20
_[16] 웹사이트 GeekDot - Olivetti CP486 http://www.geekdot.c[...] 2011-08-16
_[17] 웹사이트 Windows Server 2003: The Road To Gold http://winsupersite.[...] 2003-01-24
_[18] 웹사이트 Stratus Machine History http://ftp.stratus.c[...]
_[19] 웹사이트 StackPath http://www.militarya[...] 1997-05
_[20] 뉴스 Intel's 486 CPU turns 15 http://www.geek.com/[...] Geek.com
_[21] 간행물 Introducing the Intel i860 64-Bit Microprocessor http://www.computer.[...]
_[22] 간행물 The Intel i860 64-Bit Processor: A General-Purpose CPU with 3D Graphics Capabilities http://www.computer.[...]
_[23] 문서 i860 64-Bit Microprocessor THE ADVANCE INFORMATION 1989 http://smithsonianch[...]
_[24] 문서 Mega Floating point number Operations Per Second（メガフロップス）。1秒間に浮動小数点演算を100万回行うことを示す、処理性能を表す単位。
_[25] 웹사이트 Paul Thurrott's History of Windows Server 2003: The Road To Gold http://www.winsupers[...] 2012-03-02
_[26] 문서 Stratus Machine History ftp://ftp.stratus.co[...]
_[27] 웹인용 Paul Thurrott's History of Windows Server 2003: The Road To Gold http://www.winsupers[...] 2010-07-15

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