코프로세서

3. 등장 및 전개

CPU를 보조하기 위해 탑재되는 프로세서로, 시스템 전체의 성능 향상을 목적으로 한다.

CPU의 명령을 받아 동작하며, CPU와 소프트웨어의 조합으로 처리하면 시간이 오래 걸리는 처리를, 그 처리에 특화된 코프로세서에 맡겨 실행함으로써, 전용 하드웨어에 의한 고속화, 즉 하드웨어 가속이 가능해진다.

"co + processor"라는 구성의 용어이며, "coprocessor", "co-processor"로 한정하면, 접두사 "co-"는 "보조적", "부"라는 의미로 사용된다.

3. 1. 초기 코프로세서

3. 2. 인텔 코프로세서

3. 3. 웨이텍 코프로세서

3. 4. 모토롤라 코프로세서

3. 5. 비디오 및 그래픽 코프로세서

3. 6. 기타 코프로세서

• MIPS 아키텍처는 메모리 관리, 부동소수점 연산에 쓰이는 코프로세서 유닛을 최고 4개까지 지원하며, 그래픽 가속 등 기타 작업에 사용하는 정의되지 않은 2개의 코프로세서를 지원한다.^[12]
• FPGA(현장 프로그래머블 게이트 어레이)를 사용하면 디지털 신호 처리와 같은 특정 처리 작업의 가속화를 위한 맞춤형 코프로세서를 생성할 수 있다.
• TLS/SSL 가속기가 서버에서 사용된다.
• 일부 멀티 코어 칩에서는 그중 하나가 주 프로세서이면 나머지 프로세서들은 지원하는 코프로세서가 되도록 프로그래밍 할 수 있다.
• 중국의 매트릭스 2000 128 코어 PCI-e 코프로세서는 CPU가 실행해야 하는 전용 가속기이며, 17,792 노드 톈허-2 슈퍼컴퓨터 (각각 2개의 인텔 나이츠 브릿지 + 2개의 매트릭스 2000)의 업그레이드에 사용되어, 2A로 명명되었으며, 95페타플롭스에서 속도가 거의 두 배로 증가하여 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 능가한다.^[6]
• Acorn Computers의 다양한 모델, 특히 BBC Micro 및 BBC Master 시리즈를 위해 다양한 코프로세서가 제공되었다. 특수 목적의 그래픽 또는 산술 장치가 아닌, 이들은 일반적으로 6502, Zilog Z80, National Semiconductor 32016 및 ARM 1과 같은 범용 CPU였으며, Tube로 알려진 메시지 전달 아키텍처를 사용하여 호스트 시스템과 인터페이스하는 두 번째 프로세서로 설명되었으며, Acorn의 자체 제품은 메모리 및 인터페이스 회로와 함께 BBC Micro 확장 유닛에서 이러한 프로세서를 제공했다.

4. 현대의 코프로세서

1970년대에 개인용 컴퓨터에 처음으로 부동소수점 계산을 위한 코프로세서가 등장하였고, 1980년대에서 1990년대 초반에 걸쳐 일반화되었다. 초기의 8비트와 16비트 프로세서는 부동소수점 연산을 위한 소프트웨어를 사용하였다. 코프로세서가 지원되면 부동소수점 계산을 수 배 빠르게 수행할 수 있었다. 수치연산 보조프로세서는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어나 과학 기술 계산을 하는 이들에게 인기가 있었다. 인텔 8087, 모토롤라 68881, 내셔널 32081, AMD 9511 등은 CPU에 단단히 통합되었으나, 인텔 I8231, 웨이텍(Weitek) FPU와 같은 일부 부동소수점 유닛들은 주변장치로 취급되기도 했다.^[4]

마이크로프로세서가 발전하면서 부동소수점 연산 기능을 프로세서에 통합하는 비용이 줄어들었고, 프로세서 속도가 늘어나면서 긴밀히 통합된 코프로세서의 구현이 어려워졌다. 별도로 운용되었던 수치연산 보조프로세서는 현재 개인용 컴퓨터에서는 흔하지 않다. 하지만, 특히 컴퓨터 게임에서의 사실적 3D 게임에 대한 요구가 증가하면서 그래픽 전용 코프로세서에 대한 요구는 증가하였다.^[4]

2000년을 전후로 그래픽 카드 형태의 전용 그래픽 처리 장치(GPU)가 보급되었다.^[4] 2006년 에이지아(Ageia)에서는 컴퓨터에서 사용되는 PhysX라는 부속 카드를 발표하였다. PhysX는 복잡한 물리 계산을 수행하도록 설계되었기에, CPU와 GPU는 이러한 시간을 소비하는 계산을 하지 않아도 되었다. 2008년, 엔비디아에서 PhysX를 매입하여 카드 조립 공정을 폐지하기 시작했고, 그 기능은 CUDA에서와 같은 방식으로 소프트웨어를 통하여 GPU의 일반 그래픽 연산을 담당하는 코어에서 PhysX를 렌더링하는 것으로 더해졌다.^[4]

2006년, 빅풋 시스템은 킬러NIC 이라 명명한 PCI 부속 카드를 선보였다. 이 카드는 400 MHz의 프리스케일 파워QUICC에서 운용되는 고유의 리눅스 커널이 구동되었고, 프리스케일 칩은 네트워크 프로세서(NPU)라 불렀다.^[4] 2007년, 스퍼스엔진(SpursEngine)은 셀 마이크로아키텍처에 기반한 코프로세서가 장착된 매체 지향 부속 카드를 출시하였다.^[4] 2008년, 크로노스 그룹은 하나의 공통된 언어로 일반용 CPU와 ATI/AMD 와 엔비디아 GPU 모두를 지원하는 것을 목표로 하는 OpenCL을 내놓았다.^[4]

2010년대, 일부 모바일 컴퓨팅 기기에서는 코프로세서로 센서 허브를 구현하였다. 모바일 기기에서의 센서 통합을 다루는 데 사용된 코프로세서의 예로는 애플 M7과 M8 모션 코프로세서, 퀄컴 스냅드래곤 센서 코어와 퀄컴 헥사곤, 마이크로소프트 홀로렌즈(HoloLens)에 사용되는 홀로그래픽 프로세스 유닛 등이 포함된다.^[4] 2012년, 인텔은 MIC(Xeon Phi) 코프로세서를 발표하였다.^[4]

5. 향후 전망

2001년을 기준으로, 전용 그래픽 처리 장치(GPU)는 그래픽 카드 형태로 보편화되었다. 1990년부터 1994년까지 사운드 카드의 특정 모델은 디지털 멀티채널 믹싱과 실시간 DSP 효과를 제공하는 전용 프로세서를 장착했는데, Gravis Ultrasound 및 Sound Blaster AWE32가 대표적인 예시이다. Sound Blaster Audigy와 Sound Blaster X-Fi는 더 최근의 예시이다.

2006년에는 AGEIA가 PhysX PPU라고 불리는 컴퓨터용 추가 카드를 발표했다. PhysX는 복잡한 물리 계산을 수행하여 CPU와 GPU가 이러한 계산을 수행할 필요가 없도록 설계되었다. 비디오 게임을 위해 설계되었지만, 이론적으로 다른 수학적 용도로도 개발될 수 있었다. 2008년에 엔비디아는 이 회사를 인수하고 PhysX 카드 라인을 단종시켰다. 이 기능은 소프트웨어를 통해 추가되었으며, 엔비디아의 GPU가 엔비디아 PhysX 엔진 소프트웨어를 사용하여 PhysX를 렌더링할 수 있게 되었다.

2006년에 BigFoot Systems는 400MHz로 실행되는 FreeScale PowerQUICC에서 자체 특수 리눅스 커널을 실행하는 PCI 추가 카드인 KillerNIC을 공개했으며, FreeScale 칩을 네트워크 처리 장치 또는 NPU라고 불렀다.

SpursEngine은 Cell 마이크로아키텍처를 기반으로 하는 코프로세서를 갖춘 미디어 중심의 추가 카드이다. SPU 자체는 벡터 코프로세서이다.

2008년, Khronos Group은 컴퓨트 커널을 위한 단일 공통 언어로 일반 용도 CPU, ATI/AMD 및 엔비디아 GPU (및 기타 가속기)를 지원하기 위해 OpenCL을 출시했다.

2010년대에 일부 모바일 컴퓨팅 장치는 센서 허브를 코프로세서로 구현했다. 모바일 장치에서 센서 통합을 처리하는 데 사용되는 코프로세서의 예로는 Apple M7 및 M8 애플 모션 코프로세서, 퀄컴 스냅드래곤 센서 코어, 퀄컴 헥사곤, Holographic Processing Unit for Microsoft HoloLens 등이 있다.

2012년에 인텔은 인텔 제온 파이 코프로세서를 발표했다.

2016년을 기준으로, 다양한 회사들이 비전 및 기타 인지 작업을 위한 인공 신경망을 가속화하기 위해 코프로세서(예: 비전 처리 장치, TrueNorth, Zeroth)를 개발하고 있으며, 2018년 현재 이러한 AI 칩은 애플과 여러 안드로이드 폰 제조업체의 스마트폰에 탑재되어 있다.

세월이 흐르면서 CPU는 가장 인기 있는 코프로세서의 기능을 흡수하는 경향을 보여왔다. FPU는 이제 프로세서의 주 파이프라인의 필수적인 부분으로 여겨지며, SIMD 유닛은 멀티미디어 가속화를 제공하여 다양한 DSP 가속기 카드의 역할을 대신했다. 심지어 GPU도 CPU 다이에 통합되었다. 그럼에도 불구하고, 데스크톱 컴퓨터 외의 분야와 추가적인 성능을 위해 특수 유닛은 여전히 인기가 있으며, 주 프로세서 제품 라인과 독립적으로 지속적인 발전을 가능하게 한다.

6. 연결 형태

코프로세서는 자체로 다목적 프로세서가 아닐 수 있다. 코프로세서는 메모리에서 명령어를 불러오거나, 흐름 제어 명령 프로그램을 실행하거나, 입출력을 수행하거나, 메모리를 관리하는 등의 작업을 할 수 없다. 코프로세서가 코프로세서 명령어를 불러들이고 코프로세서 기능이 아닌 다른 모든 작업을 처리하려면 주 프로세서가 필요하다. 일부 아키텍처에서 코프로세서는 다목적으로 사용되지만, 관리 프로세서의 통제 하에서 제한된 범위의 기능만을 수행한다.

코프로세서는 자율성 정도가 다양하다. FPU와 같은 일부 코프로세서는 코프로세서 명령어를 통해 직접 제어되며, 이는 CPU의 명령어 스트림에 포함되어 있다. 다른 코프로세서는 자체적으로 독립적인 프로세서로 비동기적으로 작동할 수 있다. 그러나 이러한 코프로세서는 범용 코드에 최적화되어 있지 않거나, 특정 작업 가속에 초점을 맞춘 제한적인 명령어 집합으로 인해 범용 코드를 처리할 수 없다. 이러한 코프로세서는 호스트 프로세서(CPU)가 명령 목록을 구축하여 DMA로 구동되는 경우가 많다. 플레이스테이션 2의 Emotion Engine에는 두 가지 모드로 작동할 수 있는 특이한 DSP와 유사한 SIMD 벡터 유닛이 포함되어 있었다.

코프로세서의 연결 형태는 다음과 같다.

• 전용 단자 등을 통한 직접 연결
• 범용 I/O 연결
• 공유 메모리

참조

_[1] 서적 Upgrading and repairing PCs Que Publishing 2003
_[2] 서적 Upgrading and Repairing PCs, Second Edition Que Publishing 1992
_[3] 서적 Assembly language and systems programming for the M68000 family Jones & Bartlett Learning 1992
_[4] 웹사이트 Intel Delivers New Architecture for Discovery with Intel® Xeon Phi™ Coprocessors https://newsroom.int[...] Newsroom.intel.com 2012-11-12
_[5] 서적 The MIPS programmer's handbook Morgan Kaufmann 1994
_[6] 웹사이트 China's Tianhe-2A will Use Proprietary Accelerator and Boast 95 Petaflops Peak https://www.hpcwire.[...] 2017-09-25
_[7] 백과사전 日本大百科全書
_[8] 웹사이트 英辞郎 on the WEB、co-の使い方と意味 https://eow.alc.co.j[...]
_[9] 서적 Upgrading and repairing PCs Que Publishing 2003
_[10] 서적 Upgrading and Repairing PCs, Second Edition Que Publishing 1992
_[11] 서적 Assembly language and systems programming for the M68000 family Jones & Bartlett Learning 1992
_[12] 서적 The MIPS programmer's handbook Morgan Kaufmann 1994