멀티 코어

3. 역사

1999년, IBM은 상용 서버용 프로세서로 듀얼 코어 POWER4를 발표하며 CPU의 멀티 코어화를 주도했다. 2004년 5월에는 인텔이 기존 펜티엄 4의 고속판인 싱글 코어 CPU 개발 코드 "Tejas"의 개발 중단을 결정했다는 소식이 전해졌다. 같은 시기에 AMD(Advanced Micro Devices)도 자사의 계획에서 차세대 K9·K10 등 시리즈 이후 고속판 CPU 개발을 모두 중단했다. AMD는 K8 시리즈를 멀티 코어화하는 방향으로 제품을 강화하여 K10으로 발전시켰다.

2005년에 AMD는 소비 전력을 억제하고 멀티 코어화를 예상한 K8 아키텍처를 설계하여 듀얼 코어 제품을 제공하기 시작했다. 제품명은 Dual-Core Opteron과 애슬론 64 X2(나중에 Athlon X2로 개칭)이다. 인텔은 멀티 코어 CPU의 시장 투입 지연을 만회하기 위해 2개의 CPU 다이(die)를 하나의 패키지에 봉입한 멀티 코어 멀티 다이 형식을 취해 멀티 코어 칩을 빠르게 출시했다. 제품명으로는 펜티엄 D 등이 있다. 이후 AMD는 설계가 단순한 멀티 다이 방식의 Opteron 칩을 출시한 반면, 인텔은 CPU 코어 모듈화, 링 버스 도입 등으로 멀티 다이 방식을 사용하지 않고 있다. 같은 해 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)는 서버용 프로세서 UltraSPARC T1으로 8코어를 실현했다.

이 외에 Power Architecture 계열에서는 2006년 출시된 Cell이 8코어^[71], 2010년 출시된 POWER7이 8코어이다.

3. 1. 멀티프로세서

3. 2. 마이크로프로세서의 병렬 사용

3. 3. PC 아키텍처에서의 멀티프로세서화

4. 발전

반도체 기반 마이크로일렉트로닉스의 물리적 한계로 인해 발열 및 데이터 동기화 문제가 발생하면서, CPU 성능을 향상시키기 위해 멀티 코어 아키텍처가 개발되었다.^[76] 집적 회로(IC)의 면적을 줄이거나 동일 면적에 더 많은 트랜지스터를 사용하는 상업적 동기도 작용했다.^[11][12]

2000년대 초, 1GHz를 넘는 CPU 클럭이 일반화되면서 클럭 속도 향상 속도가 둔화되었다. 1GHz의 1사이클 시간 내에서는 빛의 속도로도 30cm밖에 전파되지 못하는 물리 법칙의 벽에 부딪히게 된 것이다. 이에 따라 멀티 코어 프로세서 형태의 병렬 컴퓨팅 사용이 증가했다. 데나드 법칙 붕괴와 싱글 코어 프로세서의 성능 향상 한계도 멀티 코어 개발의 배경이다.

멀티 코어 프로세서는 둘 이상의 프로세서를 포함한 집적 회로로, 전력 요청과 비효율적인 하드웨어 증대를 줄이는 방법이다.^[76] 여러 CPU 코어가 동일 다이에 있으면 캐시 일관성 회로가 더 높은 클럭 속도로 작동하여 캐시 스누핑 성능이 향상된다.

멀티 코어 CPU 설계는 멀티 칩 SMP 설계보다 인쇄 회로 기판 (PCB) 공간을 적게 차지하고, 듀얼 코어 프로세서는 두 개의 싱글 코어 프로세서보다 전력을 약간 덜 사용한다. 또한 코어는 L2 캐시 및 프론트 사이드 버스 (FSB) 인터페이스와 같은 일부 회로를 공유한다.

멀티 코어 칩은 낮은 에너지로 높은 성능을 제공하여 배터리 작동 모바일 장치에 유리하지만, 병렬 코드 작성의 추가 오버헤드가 있다.^[14] 프로세서 개발 트렌드는 코어 수 증가이며, 수백 또는 수천 개의 코어를 가진 프로세서가 이론적으로 가능하다.^[15] 처음부터 많은 코어를 위해 설계된 칩은 매니코어 설계라고 한다.

다중 코어 아키텍처에서 코어 구성과 균형은 다양하다. 일부는 동일 코어 설계를 사용("동질적")하고, 다른 일부는 다양한 코어를 혼합("이종")한다.

멀티 코어 프로세서의 장단점은 다음과 같다.

4. 1. 개발 배경

4. 2. 멀티 코어 프로세서의 등장

• 마이크로소프트는 일부 엔터프라이즈 소프트웨어에 소켓당 라이선스를 사용하다가, 비즈토크 서버 2013, SQL Server 2014, 윈도우 서버 2016 등 일부 소프트웨어에 대해 코어당 라이선스로 전환했다.^[22]
• 오라클(Oracle Corporation)은 AMD X2 또는 인텔 듀얼 코어 CPU를 단일 프로세서로 간주하지만, 다른 유형에는 다른 측정 기준을 사용한다.^[23]

5. 종류

IBM, 소니 컴퓨터 엔터테인먼트, 도시바 3사가 공동 개발하여 플레이스테이션 3에 탑재된 Cell 프로세서처럼, 동일한 종류의 코어를 여러 개 구현하는 "동종(Homogeneous) 멀티 코어"와 서로 다른 종류의 코어를 구현하는 "이종 멀티코어"가 존재한다.^[72]

• 동종 (Homogeneous) 멀티 코어: 동일한 종류의 코어를 여러 개 구현하는 방식이다. Xbox 360의 프로세서는 대칭형 멀티코어라고 불리는 3코어 프로세서로, 구조상 동종 멀티 코어에 속한다. 동시 멀티스레딩 (SMT)을 지원하며, 최대 6개의 하드웨어 스레드를 동시에 구동할 수 있다.

• 이종 (Heterogeneous) 멀티 코어: 서로 다른 종류의 코어를 구현하는 방식이다.
• Cell 프로세서는 1개의 범용 프로세서 코어와 스트리밍 처리에 특화된 8개의 단순한 프로세서 코어를 조합하였다.
• 미국 AMD사는 Fusion 프로젝트를 통해 그래픽 처리 장치 (Graphics Processing Unit, GPU)와 범용 프로세서를 동일한 다이에 집적한 CPU 제품 (AMD 가속 처리 장치, APU)를 출시했다.^[72]
• ARM 아키텍처의 big.LITTLE처럼, 명령어 집합 형식이 같은 코어를 조합한 프로세서 중, 처리 능력(동작 클럭 주파수)이 높은 코어와 처리 능력이 낮은 코어를 조합한 프로세서도, 트랜지스터 수나 소비 전력 측면에서 유리한 저비용 멀티코어로 간주된다. 동일한 명령어 집합이라는 관점에서는 동종이지만, 처리 능력 측면에서는 동일하지 않으므로 이종으로 분류된다. 이종 CPU 토폴로지(heterogeneous CPU topologies)라고도 불린다.^[72]

6. 기술

이 기술은 여러 개의 CPU 코어를 하나의 다이에 집적할 때, 공정 미세화 없이는 CPU 코어 수에 비례하여 다이 크기가 커진다. 면적이 늘면 제조 불량률도 높아지기에 제조 측면에서 어려움이 있다.

병렬 연산에 맞는 프로그래밍이 필요하여 소프트웨어 개발이 어려워지지만, 운영체제나 미들웨어 등이 병렬 처리를 지원하면 소프트웨어 개발이 쉬워지기도 한다. 멀티 프로세서와 호환되는 프로세서의 멀티 코어 개발은 비교적 간단하다.

개인용 컴퓨터는 소비 전력, 발열, 소음 증가의 제약과 클럭 주파수 향상의 효과 감소로 인해 멀티 코어 기술을 사용한다. 멀티 코어는 소비 전력과 발열을 낮추기 위해 코어마다 동작 전압이나 클럭 속도를 제어하며 유휴 상태를 포함한 동작 상태를 제어하는 제품도 있다.

동시 멀티스레딩(SMT)은 하나의 CPU를 외부에서 2개처럼 보이게 하지만, 실제 코어는 하나이므로 멀티 코어 기술과 다르다. (예: 인텔의 하이퍼스레딩)

6. 1. 전력 관리

6. 2. 메모리 병목 현상 해소

6. 3. 잉여 구성

7. 하드웨어 예시

• Adapteva 에피파니(Epiphany)는 최대 4096개의 프로세서를 칩에 탑재할 수 있는 다중 코어 프로세서 아키텍처이지만, 16코어 버전만 상업적으로 생산되었다.
• Aeroflex Gaisler의 LEON3는 다중 코어 SPARC이며, 결함 허용 버전으로도 존재한다.
• Ageia의 PhysX는 다중 코어 물리 처리 장치이다.
• Ambric의 Am2045는 336코어의 대규모 병렬 프로세서 어레이(MPPA)이다.
• AMD
• A 시리즈는 듀얼, 트리플 및 쿼드 코어의 가속 처리 장치(APU)이다.
• Athlon 64 FX 및 Athlon 64 X2는 싱글 및 듀얼 코어 데스크톱 프로세서이다.
• Athlon II는 듀얼, 트리플 및 쿼드 코어 데스크톱 프로세서이다.
• FX 시리즈는 쿼드, 6코어 및 8코어 데스크톱 프로세서이다.
• Opteron은 싱글, 듀얼, 쿼드, 6, 8, 12 및 16코어 서버/워크스테이션 프로세서이다.
• Phenom은 듀얼, 트리플 및 쿼드 코어 프로세서이다.
• Phenom II는 듀얼, 트리플, 쿼드 및 6코어 데스크톱 프로세서이다.
• Sempron은 싱글, 듀얼 및 쿼드 코어의 보급형 프로세서이다.^[25]
• Turion은 싱글 및 듀얼 코어 노트북 프로세서이다.
• Ryzen은 듀얼, 쿼드, 6, 8, 12, 16, 24, 32 및 64코어 데스크톱, 모바일 및 임베디드 플랫폼 프로세서이다.
• Epyc은 쿼드, 8, 12, 16, 24, 32 및 64코어 서버 및 임베디드 프로세서이다.
• Radeon 및 FireStream GPU/GPGPU이다.
• Analog Devices의 Blackfin BF561은 대칭형 듀얼 코어 프로세서이다.
• ARM MPCore는 고성능 임베디드 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 위한 ARM11 MPCore 및 ARM Cortex-A9 MPCore 프로세서 코어를 위한 완전히 합성 가능한 다중 코어 컨테이너이다.
• ASOCS ModemX는 최대 128코어, 무선 애플리케이션용이다.
• Azul Systems
• Vega 1은 2005년에 출시된 24코어 프로세서이다.
• Vega 2는 2006년에 출시된 48코어 프로세서이다.
• Vega 3은 2008년에 출시된 54코어 프로세서이다.
• Broadcom
• SiByte SB1250, SB1255, SB1455
• BCM2836, BCM2837, BCM2710 및 BCM2711은 쿼드 코어 ARM SoC(다양한 Raspberry Pi 모델용으로 설계됨)
• Cadence Design Systems의 Tensilica Xtensa LX6는 Espressif Systems의 ESP32에서 듀얼 코어 구성으로 사용할 수 있다.
• ClearSpeed
• CSX700은 2008년에 출시된 192코어 프로세서이다(32/64비트 부동 소수점; 정수 ALU).
• Cradle Technologies CT3400 및 CT3600은 모두 다중 코어 DSP이다.
• Cavium Networks Octeon은 32코어 MIPS MPU이다.
• [http://www.coherentlogix.com/ Coherent Logix] [http://www.coherentlogix.com/products/hyperx-processors/ hx3100 Processor]는 100코어 DSP/GPP 프로세서이다.
• Freescale Semiconductor QorIQ 시리즈 프로세서는 최대 8코어, Power ISA MPU이다.
• Hewlett-Packard의 PA-8800 및 PA-8900은 듀얼 코어 PA-RISC 프로세서이다.
• IBM
• POWER4는 2001년에 출시된 듀얼 코어 PowerPC 프로세서이다.
• POWER5는 2004년에 출시된 듀얼 코어 PowerPC 프로세서이다.
• POWER6는 2007년에 출시된 듀얼 코어 PowerPC 프로세서이다.
• POWER7은 2010년에 출시된 4, 6 및 8코어 PowerPC 프로세서이다.
• POWER8은 2013년에 출시된 12코어 PowerPC 프로세서이다.
• POWER9는 2017년에 출시된 12 또는 24코어 PowerPC 프로세서이다.
• Power10은 2021년에 출시된 15 또는 30코어 PowerPC 프로세서이다.
• PowerPC 970MP는 Apple Power Mac G5에서 사용된 듀얼 코어 PowerPC 프로세서이다.
• Xenon은 Microsoft Xbox 360 게임 콘솔에 사용된 트리플 코어, SMT 지원 PowerPC 마이크로 프로세서이다.
• z10은 2008년에 출시된 쿼드 코어 z/Architecture 프로세서이다.
• z196은 2010년에 출시된 쿼드 코어 z/Architecture 프로세서이다.
• zEC12는 2012년에 출시된 6코어 z/Architecture 프로세서이다.
• z13은 2015년에 출시된 8코어 z/Architecture 프로세서이다.
• z14는 2017년에 출시된 10코어 z/Architecture 프로세서이다.
• z15는 2019년에 출시된 12코어 z/Architecture 프로세서이다.
• Telum은 2021년에 출시된 8코어 z/Architecture 프로세서이다.
• Infineon
• AURIX
• Danube는 듀얼 코어, MIPS 기반의 home gateway 프로세서이다.
• Intel
• Atom은 넷북, 넷탑, 임베디드 애플리케이션 및 모바일 인터넷 장치(MID)를 위한 싱글, 듀얼 코어, 쿼드 코어, 8, 12 및 16코어 프로세서이다.^[26]
• Atom SoC(시스템 온 칩)는 스마트폰 및 태블릿용 싱글 코어, 듀얼 코어 및 쿼드 코어 프로세서이다.^[27]
• Celeron은 예산/보급형 시장을 위한 최초의 듀얼 코어(나중에는 쿼드 코어) 프로세서이다.^[28][29]
• Core Duo는 듀얼 코어 프로세서이다.^[30]
• Core 2 Duo는 듀얼 코어 프로세서이다.^[31]
• Core 2 Quad는 멀티 칩 모듈에 패키징된 2개의 듀얼 코어 다이이다.^[32]
• Core i3, Core i5, Core i7 및 Core i9는 Core 2 Duo 및 Core 2 Quad의 후속 제품인 듀얼, 쿼드, 6, 8, 10, 12, 14, 16 및 18코어 프로세서 제품군이다.^[33]
• Itanium은 싱글, 듀얼 코어, 쿼드 코어 및 8코어 프로세서이다.^[34]
• Pentium은 보급형 시장을 위한 싱글, 듀얼 코어 및 쿼드 코어 프로세서이다.^[35]
• Teraflops Research Chip(Polaris)은 3.16 GHz, 80코어 프로세서 프로토타입으로, 회사는 원래 2011년까지 출시할 것이라고 밝혔습니다.^[36]
• Xeon은 듀얼, 쿼드, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 32, 48 및 56코어 프로세서이다.^{[37][38][39][40][41][42]}
• Xeon Phi는 57, 60, 61, 64, 68 및 72코어 프로세서이다.^[43][44]
• IntellaSys
• SEAforth 40C18은 40코어 프로세서이다.^[45]
• SEAforth24는 Charles H. Moore가 설계한 24코어 프로세서이다.
• Kalray
• MPPA-256은 2012년에 출시된 256코어 프로세서이다(256개의 사용 가능한 VLIW 코어, Network-on-Chip (NoC), 32/64비트 IEEE 754 호환 FPU).
• NetLogic Microsystems
• XLP는 32코어, 쿼드 스레드 MIPS64 프로세서이다.
• XLR은 8코어, 쿼드 스레드 MIPS64 프로세서이다.
• XLS는 8코어, 쿼드 스레드 MIPS64 프로세서이다.
• Nvidia
• RTX 3090 (10496 CUDA 코어, GPGPU 코어;^[46] 및 기타 특수 코어).
• Parallax Propeller P8X32는 8코어 마이크로 컨트롤러이다.
• picoChip PC200 시리즈는 DSP 및 무선용 장치당 200–300개의 코어를 가지고 있다.
• Plurality HAL 시리즈는 16-256개의 코어, L1 공유 메모리, 하드웨어 동기화 프로세서로 긴밀하게 결합되어 있다.
• Rapport Kilocore KC256은 PowerPC 코어와 256개의 8비트 "처리 요소"를 갖춘 257코어 마이크로컨트롤러이다.
• Raspberry Pi Ltd. RP2040는 듀얼 ARM Cortex-M0+ 마이크로 컨트롤러이다.
• SiCortex "SiCortex 노드"는 단일 칩에 6개의 MIPS64 코어를 가지고 있다.
• SiFive
• U74는 4개의 코어를 포함한다.
• Sony/IBM/Toshiba의 Cell 프로세서는 일반적인 목적의 PowerPC 코어 1개와 Sony PlayStation 3에서 사용되는 벡터 연산에 최적화된 8개의 특수 SPU(Synergistic Processing Unit)를 갖춘 9코어 프로세서이다.
• Sun Microsystems
• MAJC 5200은 2코어 VLIW 프로세서이다.
• UltraSPARC IV 및 UltraSPARC IV+는 듀얼 코어 프로세서이다.
• UltraSPARC T1은 8코어, 32스레드 프로세서이다.
• UltraSPARC T2는 8코어, 64 동시 스레드 프로세서이다.
• UltraSPARC T3는 16코어, 128 동시 스레드 프로세서이다.
• SPARC T4는 8코어, 64 동시 스레드 프로세서이다.
• SPARC T5는 16코어, 128 동시 스레드 프로세서이다.
• Sunway
• Sunway SW26010는 Sunway TaihuLight에서 사용되는 260코어 프로세서이다.
• Texas Instruments
• TMS320C80 MVP는 5코어 멀티미디어 비디오 프로세서이다.
• TMS320TMS320C66은 2, 4, 8코어 DSP이다.
• Tilera
• TILE64는 64코어 32비트 프로세서이다.
• TILE-Gx는 72코어 64비트 프로세서이다.
• XMOS Software Defined Silicon 쿼드 코어 XS1-G4.
• 오픈스파크(OpenSPARC)
• 스탠퍼드 대학교, 4코어 Hydra 프로세서^[47]
• 매사추세츠 공과대학교, 16코어 [http://groups.csail.mit.edu/cag/raw/ RAW] 프로세서
• 캘리포니아 대학교 데이비스, 비동기 단순 프로세서 어레이(AsAP)
• 36코어 610 MHz AsAP
• 167코어 1.2 GHz AsAP2
• 워싱턴 대학교, [http://wavescalar.cs.washington.edu/ Wavescalar] 프로세서
• 텍사스 대학교 오스틴, TRIPS 프로세서
• 린셰핑 대학교, 스웨덴, ePUMA 프로세서
• UC 데이비스, Kilocore, 32 nm IBM 공정 기반의 1000코어 1.78 GHz 프로세서^[48]
• IBM의 POWER 시리즈( POWER4 이후)
• 선 마이크로시스템즈의 Rock
• 후지쯔의 SPARC64 (VI 이후)
• AMD (x86/x64)의 애슬론 X2, 페놈 II, 옵테론, AMD FX, 라이젠/EPYC (젠)
• 인텔 (x86/x64)의 코어 2 듀오/쿼드/익스트림, 코어 i 시리즈, 제온.
• 넷버스트 마이크로아키텍처는 PC용으로는 싱글 코어였지만, 서버용으로는 듀얼 코어 제품도 있었다.
• 코어 마이크로아키텍처를 채용한 코어 2 시리즈에서 PC용으로도 멀티 코어가 도입되었지만, 코어 2 솔로처럼 모바일용으로는 싱글 코어 제품도 있었다.
• 네할렘 마이크로아키텍처나 샌디 브리지 마이크로아키텍처는 싱글 코어 제품도 있었다. 아이비 브리지 마이크로아키텍처 이후에는 듀얼 코어 이상이 되었다.
• 인텔 (IA-64)의 아이테니엄 2 (아이테니엄 9000 / 몬테시토 이후)
• ICT의 Godson-3
• 애플 M 시리즈
• 퀄컴(Qualcomm) (ARM)의 스냅드래곤(Snapdragon) (S3 이후)
• NVIDIA 테그라(NVIDIA Tegra)
• Apple 실리콘(Apple Silicon)
• 그래픽 처리 장치(GPU) - NVIDIA GeForce나 AMD Radeon 등에 대표된다. 단순한 연산기(스트림 프로세서)를 묶어, 여러 데이터를 묶어 병렬 처리하는 데 특화되어 있으며, CPU와 비교할 수 없는 초 멀티 코어 구성(수백~수천)을 가지고 있다. 울트라 하이엔드 제품에서는 1만 개가 넘는 코어를 탑재한 것도 있다. 실시간 3D 그래픽스 렌더링이 주된 용도이지만, 범용 처리 (GPGPU)의 각종 API에도 대응하고 있다.
• 인텔의 제온 파이 - 한때 코드네임 Larrabee로 개발되던 제품의 후속으로 등장한 코프로세서이지만, 라인업 제품은 모두 생산 종료되었다. 코어 수는 최대 72개^[75]
• 시스코 시스템즈(Cisco Systems)의 QFP 네트워크 프로세서 - 40개
• D. E. Shaw Research의 Anton
• 톱스 시스템즈(Topsystems)의 TOPSTREAM - 처음부터 멀티 코어용으로 개발된 일본산 프로세서. MPEG-4 및 무선 LAN의 베이스 밴드 처리 칩의 실적 보유.

8. 벤치마크

멀티 코어 프로세서의 연구 개발 과정에서는 다양한 옵션을 비교하는 경우가 많으며, 이러한 평가를 돕기 위해 벤치마크가 개발된다. 기존 벤치마크로는 이종 시스템을 위한 SPLASH-2, PARSEC, COSMIC 등이 있다.^[49]

참조

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_[71] 문서 設計上は9コアが存在するが、うち1コアは[[歩留まり]]向上のための予備であり、出荷前に無効化されている。
_[72] 웹사이트 Energy Aware Scheduling — The Linux Kernel documentation https://www.kernel.o[...]
_[73] 문서 ローカル・キャッシュを共有し合う機構とは、コアローカルなL2キャッシュとダイ共有のL3キャッシュの関係で、通常はスヌープしてローカルなL2キャッシュ間のコヒーレンシを確保する仕組みである。自分のコアのL2でmissして他のコアのL2にあれば、L3ではなく他のコアのL2をアクセスする仕組みを指す。 2022-11
_[74] 뉴스 インテル、メニーコア化への取り組みなど、研究活動に関する説明会を開催 https://news.mynavi.[...] マイコミジャーナル 2005-11-09
_[75] 웹사이트 製品仕様 インテル® Xeon Phi™ プロセッサー https://ark.intel.co[...]
_[76] 서적 Management Information Systems 12/E: Managing the Digital Firm, CHAPTER 5, 215P Pearson Education Asia