이모션 엔진
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1. 개요
이모션 엔진은 프리스케일 세미컨덕터의 MIPS-III R5900을 기반으로 개발된 플레이스테이션 2의 중앙 처리 장치(CPU)이다. CPU 코어, 부동 소수점 유닛(FPU), 2개의 벡터 프로세싱 유닛(VPU), 그래픽 인터페이스(GIF), 직접 메모리 접근(DMA) 컨트롤러, 메모리 컨트롤러, 이미지 프로세싱 유닛(IPU) 및 I/O 인터페이스로 구성되어 있다. 소니와 도시바에서 생산되었으며 플레이스테이션 2 및 플레이스테이션 3에 사용되었다. 299MHz의 클럭 속도와 MIPS III 기반의 명령어 집합을 가지며, 6.2 GFLOPS의 부동 소수점 연산 능력을 제공한다. 또한, 그래픽 신디사이저(GS)와 함께 사용되어 고성능 그래픽 처리를 지원한다.
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| 이모션 엔진 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | Emotion Engine (이모션 엔진) |
| 개발 시작 | 2000년 |
| 생산 종료 | 2012년 |
| 개발자 | 소니・컴퓨터 엔터테인먼트 동지바 |
| 사양 | |
| 최소 주파수 | 294.912 MHz |
| 최대 프로세스 룰 | 250nm |
| 최소 프로세스 룰 | 65nm |
| 명령어 집합 | MIPS III에 107개의 멀티미디어 확장 명령 추가 |
| 코어 수 | 알 수 없음 |
| 소켓 | 알 수 없음 |
2. 내부 구성
이모션 엔진은 프리스케일 세미컨덕터의 MIPS-III R5900을 기반으로 개발되었다. CPU 코어, FPU, 2개의 벡터 프로세싱 유닛(VPU0, VPU1), 그래픽 인터페이스(GIF), 10채널 DMA, 메모리 컨트롤러, 이미지 프로세싱 유닛(IPU), I/O 인터페이스로 구성되어 있으며, 이들은 128비트 내부 데이터 버스로 연결되어 있다.
CPU와 첫 번째 VPU0은 128비트 전용 버스로 직접 연결되어 게임 코드 실행과 모델링 계산을 담당한다. 두 번째 VPU1은 지오메트리 변환과 광원 처리를 담당하며 CPU와 독립적으로 작동하고 마이크로코드로 제어한다. VPU0도 지오메트리 변환에 사용할 수 있다. VPU0와 VPU1에서 생성된 디스플레이 리스트는 GIF를 통해 그래픽 신서사이저로 보내져 렌더링된다.
2. 1. CPU 코어
CPU 코어는 2웨이 슈퍼스칼라 인 오더 RISC 프로세서로 MIPS-III 시리즈 명령어 셋 아키텍처에 소니가 개발한 전용 128비트 SIMD 명령어를 추가하였다.[3] 전용 명령어는 107개로 32비트 4개, 16비트 8개, 8비트 16개를 동시에 처리할 수 있다. 명령어는 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈, 최소/최대, 시프트(shift), 논리 연산, 128비트 로드/스토어와 소니가 타 업체와의 경쟁을 이유로 공개하지 않은 256비트에서 128비트로의 시프트 등의 명령어로 구성되어 있다.MIPS 기반의 코어는 ALU 2개와 FPU 유닛으로 구성되어 있다. 정수 유닛은 64비트로 되어 있지만 FPU는 싱글 프리시전(single precision), 32비트로 되어 있다. 전용 명령어는 2개의 64비트 정수 유닛을 묶어 128비트처럼 사용할 수 있다. 128비트의 정수 레지스터를 갖추고 있다. 정수 유닛과 FPU는 둘 다 파이프라인은 6단계이다.
CPU 코어는 2웨이 방식의 16KB 명령어 캐시와 8KB 데이터 캐시,[4] 16KB의 스크래치패드 RAM, 가상 주소 변환을 위해 48엔트리 TLB, 분기 예측을 위해 64엔트리 BTAC(branch target address cache)와 BHT(branch history table)을 내장하고 있다.
2. 2. 벡터 프로세싱 유닛
VPU0과 VPU1이라고 부르는 벡터 프로세싱 유닛은 이모션 엔진의 부동소수점 성능에 크게 기여한다.[11] 각 VPU는 32개의 128비트 벡터 프로세서 레지스터, 16개의 16비트 고정 소수점 레지스터, 4개의 부동 소수점 곱셈 누산(FMAC) 유닛, 부동 소수점 나눗셈(FDIV) 유닛, 로컬 데이터 메모리로 구성된다. VPU0의 데이터 메모리는 4KB이고, VPU1은 16KB이다.높은 대역폭을 위해 VPU의 데이터 메모리는 GIF에 직접 연결되어 있으며, 두 데이터 메모리 모두 직접 메모리 접근(DMA) 유닛으로 읽을 수 있다. 하나의 벡터 명령어는 4개의 32비트 단정밀도 부동 소수점 값으로 구성되며, 4개의 32비트 FMAC 유닛에서 처리된다. 이 방식은 인텔의 SSEx 확장과 비슷하다.
FMAC 유닛은 하나의 명령어를 실행하는 데 4 사이클이 걸리지만, 유닛에는 6단계의 파이프라인이 있어 사이클 당 하나의 명령어를 처리할 수 있다. FDIV 유닛은 9단계 파이프라인을 가지며 7 사이클마다 하나의 명령어를 실행할 수 있다.
2. 3. 이미지 프로세싱 유닛 (IPU)
IPU는 MPEG-2 압축 이미지 디코딩을 지원하여 DVD 및 게임 FMV 재생을 가능하게 했다.[5] 또한 2D 그래픽 데이터에 대한 벡터 양자화를 허용했다.[5] IPU는 MPEG-2 디코더 유닛을 내장하여, MPEG-2 형식의 비디오를 단독으로 재생할 수 있는 능력을 갖추고 있다.2. 4. DMA, DRAM and 메모리 관리 유닛 (MMU)
메모리 관리 장치, RDRAM 컨트롤러, DMA 컨트롤러는 시스템 내에서 메모리 접근을 처리한다.[5] 이모션 엔진은 DMA 컨트롤러를 통합하고 있으며, 내부의 각 유닛을 128비트 버스로 연결한 세계 최초의[11] 완전한 128비트 프로세서이기도 하다. 메인 메모리와는 램버스사의 Direct RDRAM 인터페이스 2채널에 의해 3.2 GBps의 메모리 대역폭으로 연결되어 있다.2. 5. 내부 데이터 버스
CPU 코어와 VPU, GIF, 메모리 컨트롤러 등의 유닛들은 128비트의 내부 데이터 버스로 연결되어 있으며 이모션 엔진 클럭의 절반 속도로 작동된다.[3] 300Mhz에서 이론상 최대 대역폭은 2.4GB/s다. DMA 전송은 구성된 패킷을 내부 데이터 버스를 통해 전송하며 최대 대역폭은 2GB/s다.[3]2. 6. 외부 인터페이스
이모션 엔진은 내부 데이터 버스와 연결된 2채널의 DRDRAM 메모리 컨트롤러를 가지고 있다. 각 채널은 16비트, 400MHz로 작동한다. 2채널 DRDRAM의 이론상 최대 대역폭은 3.2GB/s이며 내부 데이터 버스보다도 33% 이상 빠르다. 메모리 컨트롤러 버퍼를 통해 DRDRAM 채널로 데이터를 전송하기 때문에 여분의 대역폭을 CPU에서 사용할 수 있다.이모션 엔진은 GIF를 통해 그래픽 신서사이저와 150MHz의 64비트 전용 버스로 연결되며 이론상 최대 대역폭은 1.2GB/s이다.[6] IOP와는 37.5MHz의 32비트 버스로 연결되어 있으며 이론상 최대 대역폭은 150MB/s다.
3. 생산과 사용
이모션 엔진은 0.25µm CMOS 공정으로 240mm2 다이에 1억 5백만 개의 트랜지스터를 집적하였으며 540핀의 PBGA(plastic ball grid array)로 소니와 도시바에서 생산되었으며, 나중에 0.18µm 공정으로 전환되었다.[7][8]
이모션 엔진은 플레이스테이션 2에 사용되었으며, 플레이스테이션 3에서도 플레이스테이션 2 게임과의 호환성을 위해 사용되었다. 이후 플레이스테이션 3에서는 원가 절감을 위해 이모션 엔진을 제거하고 셀 브로드밴드 프로세서를 이용한 소프트웨어 에뮬레이션으로 변경되었으며, 이후 출시된 플레이스테이션 3는 플레이스테이션 2와의 호환성이 제거되었다.
이모션 엔진은 PSX (디지털 비디오 레코더)뿐만 아니라 PlayStation 2 하드웨어를 사용한 HDTV 텔레비전 모델인 Sony WEGA HVX (모델 번호 KDE-xxxHVX/KDL-xxxHVX) 및 Sony 브라비아 KDL22PX300에도 사용되었다.[13][14]
4. 프로세서 사양
| 항목 | 상세 내용 |
|---|---|
| 클럭 속도 | 294.912 MHz (후기 버전 299 MHz) |
| 명령어 집합 | MIPS III, MIPS IV 서브셋, 107개의 벡터 명령어 |
| 파이프라인 | 2-issue, 2개의 64비트 고정 소수점 유닛, 1개의 부동 소수점 유닛, 6단계 파이프라인 |
| 명령어 캐시 | 16 KB, 2-way set 연관 |
| 데이터 캐시 | 8 KB, 2-way set 연관[4] |
| 스크래치패드 RAM | 16 KB |
| TLB | 48-entry 통합 명령어/데이터 |
| 벡터 프로세싱 유닛 | 4개의 FMAC 유닛, 1개의 FDIV 유닛 |
| 벡터 프로세싱 유닛 레지스터 | 128-bit wide, 32 entries |
| 이미지 프로세싱 유닛 | MPEG2 매크로블록 레이어 디코더 |
| DMA | 10 채널 |
| VDD 전압 | 1.8 V |
| 전력 소비 | 1.8 V에서 15 W |
| 임베디드 메모리 | 1 KB RAM, 4 KB FeRAM, 16 KB ROM[9] |
5. 이론적인 성능
6. Graphics Synthesizer
'''Graphics Synthesizer'''(그래픽스 신서사이저, 약칭: '''GS''')는 SCE에 의해 개발되어 주로 PS2용으로 설계 및 사용된 GPU이다.
4MB의 DRAM을 eDRAM으로 혼재[19]하여 2560 bit(내역은 읽기 1024 bit, 쓰기 1024 bit, 텍스처 512 bit)라는 초광대역의 버스 폭을 갖추고 있으며, 총 48GB/초의 전송 속도가 특징이다. 그 외의 사양으로는 픽셀 엔진이라고 불리는 파이프라인을 16개 갖추고 147.456 MHz로 작동한다. 집적 트랜지스터 수는 4300만 개, 250 nm 공정으로 제조되었으며 다이 면적은 279 mm2로 발표 당시 PC용 하이엔드 칩의 2배 이상 규모였다.
7. GScube 16
GScube 16은 PS2 아키텍처를 기반으로 한 그래픽 워크스테이션의 프로토타입이다. 메인 메모리를 4배인 128MB로 늘린 이모션 엔진(Emotion Engine)과 혼재 메모리를 32MB로 증량한 "그래픽 신디사이저 I-32"를 각각 16개 탑재했다.
정사각형 모양이며, 상단에는 GS 유닛의 가동 상황을 나타내는 일루미네이션이 탑재되어 있다. 단독으로 작동하는 워크스테이션이 아니라 호스트 시스템이 필요하다.
칩을 64개 병렬로 탑재한 "GScube 64"와 이를 더욱 확장하여 4000×2000 픽셀에서 120fps의 영상 출력이 가능한 워크스테이션도 예정되어 있었다.
8. 각 세대별 EE, GS 비교표
| GS#1 | GS#2 | GS#3 | GS#4 | GS#5 | GS#6 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 칩 면적 (mm2) | 279 | 188 | 108 | 96 | 83 | 73 |
| 공정 규칙 (nm) | 250 | 180 | colspan="3" | | 130[18] | ||
| 트랜지스터 수 (만) | 4300 | colspan="5" | | ||||
참조
[1]
웹사이트
Sony confirms production end for PlayStation 2 worldwide
https://www.engadget[...]
Engadget
2013-01-07
[2]
웹사이트
Sound and Vision: A Technical Overview of the Emotion Engine
https://arstechnica.[...]
2000-02-16
[3]
간행물
Sony's Emotionally Charged Chip
https://docencia.ac.[...]
1999-04-19
[4]
문서
[5]
웹사이트
The Playstation 2 Linux Kit Handbook
http://playstation2-[...]
Free Software Foundation
2002
[6]
문서
Diefendorff 1999, p. 5
[7]
서적
Computer Architecture: A Quantitative Approach
https://books.google[...]
Morgan Kaufmann
2002-05-29
[8]
논문
Sony's Emotionally Charged Chip: Killer Floating-Point "Emotion Engine" To Power PlayStation 2000
1999-04-19
[9]
서적
Nanostructures: Synthesis, Functional Properties and Application
Springer Science & Business Media
2003
[10]
서적
ドリームキャストFAN
徳間書店
1999-04-23
[11]
웹사이트
次世代プレイステーション向け世界最高速の128ビットCPU Emotion Engine を開発
http://www.sie.com/c[...]
ソニー・コンピュータエンタテインメント
1999-03-02
[12]
뉴스
PlayStation2ベースのワークステーションが登場!
https://pc.watch.imp[...]
PC Watch
1999-10-07
[13]
뉴스
テレビのさらなる高画質・高音質と新しい操作性を実現した＜ベガ＞HVXシリーズ 計6機種 発売
http://www.sony.jp/C[...]
ソニーマーケティング
2004-08-19
[14]
뉴스
世界初、感動の記憶色を再現する広色域LEDバックライト搭載の液晶テレビ 発売
http://www.sony.jp/C[...]
ソニーマーケティング
2004-08-19
[15]
뉴스
IBM/SCE/ソニーのCellプロセッサワークステーション
https://pc.watch.imp[...]
PC Watch
2004-05-14
[16]
문서
Cell Broadband Engineへの20年と、 半導体産業・次の10年の展開
http://www.shmj.or.j[...]
[17]
문서
ゲート長は180nm
[18]
뉴스
「積極的な半導体設備投資は“PS2のおかげ”」――ソニー、2000億円投資で次世代チップ「CELL」製造へ
https://www.itmedia.[...]
ITmedia
2003-04-21
[19]
문서
複数チップの組み合わせではなく、1枚のチップ内に混載されている。
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