비트 슬라이스
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1. 개요
비트 슬라이스는 여러 개의 산술 논리 장치(ALU) 칩을 연결하여 더 큰 비트 폭의 ALU를 구성하는 방식으로, 과거에는 집적 회로의 집적도가 낮았던 시기에 계산 능력 향상을 위해 사용되었다. 1970년대 중반부터 1980년대 후반까지 대규모 집적 회로의 가격 문제로 널리 사용되었으며, 맞춤형 컴퓨터 제작에 유연성을 제공하고 바이폴라 트랜지스터를 사용해 고속 동작을 구현했으나, 집적 회로 기술 발전으로 32비트 마이크로프로세서가 등장하면서 쇠퇴했다. 최근에는 소프트웨어적 비트 슬라이싱 기술이 SIMD 연산에 활용되거나, 양자 컴퓨터의 회로 구조를 단순화하는 데 적용되는 등 현대적인 응용도 이루어지고 있다.
비트 슬라이스 프로세서는 1비트, 2비트, 4비트, 8비트 또는 16비트 산술 논리 장치(ALU)와 제어 라인을 포함한다. 제어 라인에는 비트 슬라이스되지 않은 CPU 설계에서 프로세서 내부에 있는 자리올림 또는 오버플로 신호가 포함된다.
비트 슬라이싱은 대규모 집적 회로(LSI, 오늘날의 초대규모 집적 회로(VLSI)의 전신)가 나오기 전에도 사용되었지만, 당시에는 그렇게 불리지 않았다. 최초의 비트 슬라이스 머신은 1956년부터 1958년까지 케임브리지 대학교 수학 연구소에서 제작된 EDSAC 2였다.
비트 슬라이스 프로세서는 여러 회사에서 다양한 제품군을 출시했다. 주요 제품군은 다음과 같이 분류할 수 있다.
2. 작동 원리
예를 들어, 두 개의 4비트 ALU 칩을 나란히 배치하고 제어 라인을 연결하여 8비트 ALU를 구성할 수 있다. 3개의 1비트 유닛으로 3비트 ALU를 만드는 것처럼, 결과가 2의 거듭제곱일 필요는 없다. 네 개의 4비트 ALU 칩을 사용하여 16비트 ALU를 구축할 수 있으며, 32비트 워드 ALU를 구축하려면 8개의 칩이 필요하다. 설계자는 더 긴 워드 길이를 조작하기 위해 필요한 만큼 슬라이스를 추가할 수 있다.
마이크로시퀀서 또는 제어 ROM을 사용하여 구성 요소 ALU의 기능을 제어하기 위한 데이터 및 제어 신호를 제공하는 논리를 실행한다.
3. 역사
1950년대에 시작된 UNIVAC 1100 시리즈 메인프레임은 36비트 아키텍처를 가지고 있었으며, 1979년에 출시된 1100/60은 최신 집적 회로를 사용하면서 필요한 워드 폭을 구현하기 위해 9개의 모토로라 MC10800 4비트 ALU 칩을 사용했다.
당시 16비트 프로세서는 흔했지만 비쌌고, Z80과 같은 8비트 프로세서는 초기 가정용 컴퓨터 시장에서 널리 사용되었다.
3. 1. 초기 비트 슬라이스 머신
집적 회로가 사용되기 이전에는 비트 슬라이스라는 용어가 널리 쓰이지는 않았지만, 비트 슬라이스 구성은 일반적으로 사용되던 기술이었다. 초기 사례로는 EDSAC 2가 있다.
집적 회로의 집적도가 낮고 가격이 비쌌던 당시, 컴퓨터 시스템의 버스 폭을 얼마로 하는 것이 적절한지에 대한 논쟁이 있었다. 여러 개의 단순하고 저렴한 ALU를 조합하여 사용하는 것은 비용을 절감하면서 계산 능력을 높이는 효과적인 방법이었다.
여러 개의 표준화된 양산 부품을 조합하여 비트 슬라이스 방식을 사용하면, 더 강력하고 복잡한 컴퓨터를 저렴하게 제작할 수 있었다. ALU의 복잡한 부분은 이미 구현되어 있었으므로, 새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 데 드는 복잡성과 디버깅의 수고도 대폭 줄어들었다.
1960년대 말부터 1980년대 중반까지, 바이폴라 트랜지스터를 사용한 비트 슬라이스 방식의 프로세서는 NMOS나 CMOS 프로세서보다 고속으로 동작한다는 장점이 있었다. 따라서 클럭 주파수를 높일 수 있었고, 고속성을 요구하는 용도에 편리했다. 예를 들어, 당시의 DSP나 제록스 알토 등은 고속성과 유연성 때문에 비트 슬라이스 방식으로 프로세서를 구성하였다.
3. 2. 비트 슬라이스의 전성기
1970년대 중반과 1980년대 후반까지는 집적 회로의 집적도가 낮고 가격이 비쌌기 때문에, 컴퓨터 시스템의 버스 폭을 얼마로 할지에 대한 논쟁이 있었다. 여러 개의 단순하고 저렴한 ALU를 조합하여 사용하는 것은 비용을 절감하면서 계산 능력을 높이는 효과적인 방법으로 여겨졌다.
여러 개의 표준화된 양산 부품을 조합하여 비트 슬라이스 방식을 사용하면, 더 강력하고 복잡한 컴퓨터를 저렴하게 제작할 수 있었다. ALU의 복잡한 부분은 이미 구현되어 있으므로, 새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 데 드는 복잡성과 디버깅의 수고도 대폭 줄어들었다.
1960년대 말부터 1980년대 중반까지, 바이폴라 트랜지스터를 사용한 비트 슬라이스 방식의 프로세서는 NMOS나 CMOS 프로세서보다 고속으로 동작한다는 장점이 있었다. 따라서 클럭 주파수를 높일 수 있었고, 고속성을 요구하는 용도에 편리했다. 예를 들어, 당시의 DSP나 알토 등, 고속성과 유연성 때문에 비트 슬라이스 방식으로 프로세서를 구성한 것들이 있었다.
3. 3. 비트 슬라이스의 쇠퇴
집적 회로 기술이 발전하면서 32비트 마이크로프로세서가 등장했고, 이로 인해 비트 슬라이스 방식은 점차 쇠퇴하였다.
4. 주요 제품군
비트 폭 주요 제품군 2비트 인텔 3000 제품군, 시그네틱스 8X02 제품군 4비트 내셔널 IMP 제품군, AMD Am2900 제품군, 모놀리식 메모리 5700/6700 제품군, 텍사스 인스트루먼트 SBP0400/SBP0401, 텍사스 인스트루먼트 SN74181, 텍사스 인스트루먼트 SN74S281/SN74S282, 텍사스 인스트루먼트 SN74S481/SN74S482, 페어차일드 33705, 페어차일드 9400 (MACROLOGIC), 모토로라 M10800 제품군, 레이시온 RP-16 8비트 포 페이즈 시스템즈 AL1, 텍사스 인스트루먼트 SN54AS888 / SN74AS888, 페어차일드 100K, ZMD U830C 16비트 AMD Am29100 제품군, 시놉시스 49C402, ZFT 로보트론/ZFTM 드레스덴 U840
4. 1. 2비트 슬라이스
인텔 3000 제품군(1974년, 현재 단종)에는 인텔 3002 (인텔 3001 포함) 등이 있으며, 시그네틱스 및 인터실에서 공급되었다. 시그네틱스 8X02 제품군 (1977년, 현재 단종)도 2비트 슬라이스에 해당한다.
4. 2. 4비트 슬라이스
다음은 4비트 슬라이스 프로세서 및 관련 제품군 목록이다.4. 3. 8비트 슬라이스
4. 4. 16비트 슬라이스
AMD Am29100 제품군, 시놉시스 49C402, ZFT 로보트론/ZFTM 드레스덴 U840|U830C#Nachfolger U84xde (1979/1982년, 미출시) 등이 있다.
5. 장점 및 단점
비트 슬라이스 프로세서는 맞춤형 구성이 가능하고, 바이폴라 접합 트랜지스터를 사용하여 고속 동작이 가능하다는 장점이 있지만, 복잡한 설계와 디버깅 과정 등의 단점도 존재한다.
비트 슬라이스 방식은 여러 개의 표준화된 양산 부품을 조합하여 더 강력하고 복잡한 컴퓨터를 저렴하게 제작할 수 있게 해준다. ALU의 복잡한 부분은 이미 구현되어 있으므로, 새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 데 드는 복잡성과 디버깅의 수고도 대폭 줄어든다.
60년대 말부터 80년대 중반까지, 바이폴라 트랜지스터를 사용한 비트 슬라이스 방식의 프로세서는 NMOS나 CMOS 프로세서보다 고속으로 동작하여 클럭 주파수를 높일 수 있었고, 고속성을 요구하는 용도에 편리했다. 예를 들어, 당시의 DSP나 알토 등은 고속성과 유연성 때문에 비트 슬라이스 방식으로 프로세서를 구성했다.[1]
하지만, 새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 복잡성이 높았고, 당시 16비트 프로세서는 비쌌으며, Z80과 같은 8비트 프로세서가 초기 가정용 컴퓨터 시장에서 널리 사용되었다는 단점도 존재한다.
5. 1. 장점
비트 슬라이스 방식을 통해 바이폴라 접합 트랜지스터를 경제적으로 사용할 수 있었는데, 이는 NMOS 로직이나 CMOS 트랜지스터보다 훨씬 빠르게 전환된다는 장점이 있었다.[1] 이를 통해 디지털 신호 처리 (DSP) 기능, 행렬 변환과 같이 속도가 필요한 경우나, 제록스 알토처럼 개별 CPU로는 제공하기 어려운 유연성과 속도를 동시에 확보하여 훨씬 높은 클럭 속도를 낼 수 있었다.비트 슬라이스 제품의 구성 요소를 결합하면 엔지니어와 학생들은 기성 부품을 사용하여 맞춤형 구성을 할 수 있었고, 더 강력하고 복잡한 컴퓨터를 합리적인 비용으로 만들 수 있었다. 새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 복잡성도 ALU의 세부 사항이 이미 지정되고 디버그되었기 때문에 크게 줄었다.[1]
| 장점 | 내용 |
|---|---|
| 유연성 | 엔지니어와 학생들은 기성 부품을 사용하여 맞춤형으로 구성할 수 있었다. |
| 성능 | 바이폴라 접합 트랜지스터를 사용하여 NMOS 또는 CMOS 트랜지스터보다 훨씬 빠르게 전환할 수 있었다. |
5. 2. 단점
새로운 컴퓨터 아키텍처를 만드는 복잡성이 높았다. 당시 16비트 프로세서는 비쌌고, Z80과 같은 8비트 프로세서가 초기 가정용 컴퓨터 시장에서 널리 사용되었다.[1]6. 현대적 응용
1998년, 매튜 콴은 비트 슬라이싱이라는 용어를 새로운 용법으로 제안했다.[3] 64비트 마이크로프로세서와 같이 비교적 워드가 긴 범용 프로세서와 그 명령(스칼라 명령)을 마치 비트를 대상으로 하는 64병렬의 SIMD 명령인 것처럼 간주하여 비트 단위의 처리가 필요한 작업을 다수 병렬로 수행하는 기술이다. (레지스터 내 SIMD, SWAR 참조).
이 기술은 엘리 비함의 1997년 논문 ''소프트웨어에서의 빠른 새로운 DES 구현''에서 기원했으며,[4] 이 기술을 사용하여 DES의 성능을 대폭 향상시켰다.
6. 1. 소프트웨어적 비트 슬라이싱
최근에는 매튜 콴(Matthew Kwan)이 일반적인 가상 머신을 사용하여 여러 개의 병렬 단순 가상 머신을 구현하는 기술을 지칭하기 위해 비트 슬라이스라는 용어를 다시 사용했다. 이 기술은 일반 논리 명령을 사용하여 단일 명령 다중 데이터 (SIMD) 연산을 수행하며, 레지스터 내 SIMD(SWAR)라고도 알려져 있다.[3]이 기술은 Eli Biham의 1997년 논문 "소프트웨어에서 빠른 새로운 DES 구현"에서 처음 참고되었으며, 이 방법을 사용하여 DES의 성능을 크게 향상시켰다.[4]
6. 2. 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터의 회로 구조를 단순화하고 하드웨어 비용을 절감하기 위해, MIPS32 명령어 집합을 실행하도록 제안되었으며, 50GHz의 초전도 "32비트 고속 단일 플럭스 양자 마이크로프로세서용 4비트 비트 슬라이스 산술 논리 장치(ALU)"가 시연되었다.참조
[1]
문서
繰上り（キャリー）だけは下から上に伝搬させる必要がある。
[2]
논문
"At the mechanical level of organization, EDSAC 2 was packaged in a bit-sliced manner, with interchangeable plug-in units."
1992
[3]
웹사이트
Bitslice DES
http://www.darkside.[...]
2013-02-02
[4]
간행물
A Fast New DES Implementation in Software
http://www.cs.techni[...]
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