프로세서 설계

3. CPU 구현 기술

CPU를 구현하는 데에는 다양한 기술이 동원되며, 어떤 기술을 선택하고 어떻게 설계하는지에 따라 최종적인 성능, 전력 소비, 생산 비용 등이 크게 달라진다. CPU 구현에 사용되는 구체적인 논리 회로 구현 방식과 상세한 설계 과정은 시대와 목적에 따라 다양하게 발전해왔다.

기술의 발전, 특히 집적 회로 기술의 발달은 CPU 설계에 큰 변화를 가져왔다. 동일한 기능을 더 작은 면적에 집적하는 것이 가능해지면서, CPU 코어를 재설계하여 크기를 줄이는 것이 일반적인 성능 향상 전략이 되었다. 코어를 더 작은 다이 영역으로 축소하면 다음과 같은 여러 이점을 얻을 수 있다.^[2]

• 성능 향상: 트랜지스터 크기가 작아지면 스위칭 속도가 빨라져 CPU의 동작 속도를 높일 수 있다.
• 전력 소비 감소: 배선 길이가 줄어들면 기생 커패시턴스가 감소하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
• 비용 절감: 동일한 실리콘 웨이퍼에서 더 많은 수의 CPU를 생산할 수 있게 되어 개당 생산 비용이 낮아진다.
• 집적도 향상: 코어 크기가 줄어든 만큼 남는 공간에 추가적인 캐시 메모리를 넣거나, 여러 개의 CPU 코어를 집적하거나(멀티 코어 프로세서), 다른 기능 블록들을 통합하는 것이 가능해진다. 이는 칩 하나로 더 높은 성능을 내거나 다양한 기능을 수행하게 하여 전체 시스템 비용을 절감하는 효과를 가져온다.

3. 1. 구현 방식

과거에는 진공관이나 개별 트랜지스터, 다이오드 같은 부품을 직접 사용하여 논리 회로를 구성했다. 이후 트랜지스터-트랜지스터 로직(TTL)과 같은 소규모 집적 회로(SSI) 칩, 프로그래머블 어레이 로직(PAL), 프로그래머블 논리 소자(PLA), 이미터 결합 로직(ECL) 게이트 어레이 등이 개발되었으나, 현재 CPU 설계에는 거의 사용되지 않는다.

오늘날 제작되는 CPU의 대다수는 CMOS 공정을 이용한 집적 회로(IC)로 만들어진다. 특히 대량 생산되는 IC 형태가 일반적이다.

특수한 목적이나 환경에서는 다른 방식이 사용되기도 한다. 주문형 반도체(ASIC)는 특정 응용 프로그램에 최적화된 성능을 제공하지만, 설계 및 생산 비용이 매우 높아 소수의 특수한 경우에만 사용된다. 반면, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 설계 후에도 내부 회로를 재구성할 수 있는 유연성 덕분에 소프트 마이크로프로세서를 구현하거나 재구성 가능한 컴퓨팅과 같이 하드웨어 변경이 필요한 분야에서 널리 활용된다.

3. 2. 설계 과정

고성능 프로세서를 설계할 때는 목표 주파수, 전력 소모, 칩 면적 등을 만족시키기 위해 각 구성 요소를 맞춤 설계(custom design)해야 하는 경우가 많다. 반면, 저성능 또는 저가형 프로세서의 경우, 일부 구성 요소는 기존에 설계된 IP (Intellectual Property) 코어를 구매하여 사용하거나, 제어 로직 구현에 사용되는 논리 합성 기법을 데이터 경로, 레지스터 파일 등 다른 부분에도 적용하여 구현 부담을 줄이기도 한다.^[2]

복잡한 전자 설계 전반과 마찬가지로, CPU 설계 과정에서 논리 검증(설계된 내용에 오류가 없음을 증명하는 작업)은 프로젝트 일정에서 매우 큰 비중을 차지하며 중요하다.^[2]

4. CPU 성능 분석 및 벤치마킹

CPU의 성능은 컴퓨터 시스템의 전반적인 속도와 효율성을 결정하는 핵심 요소이므로, 이를 정확하게 분석하고 비교하는 것이 중요하다. CPU 성능을 측정하고 평가하는 대표적인 방법으로 벤치마킹이 사용된다. 벤치마킹은 특정 표준 프로그램이나 작업을 실행하여 CPU의 처리 능력, 속도, 효율성 등을 객관적인 수치로 나타내는 과정이다.

CPU 성능을 평가하는 데에는 다양한 지표가 사용되며, 어떤 지표를 중요하게 볼 것인지는 CPU의 사용 목적이나 시스템 환경에 따라 달라진다. 예를 들어, 일반적인 연산 처리 속도를 나타내는 MIPS, 과학 기술 계산 능력을 보여주는 FLOPS, 전력 소비 대비 성능을 나타내는 와트당 성능 등이 주요 지표로 활용된다.^[3][4] 이 외에도 비용 대비 성능, 실시간 컴퓨팅 환경에서의 응답 속도 등 다양한 측면에서 성능을 평가할 수 있다.

성능 측정을 위해서는 SPEC에서 개발한 SPECint, SPECfp나 EEMBC(임베디드 마이크로프로세서 벤치마크 컨소시엄)의 ConsumerMark와 같이 널리 인정받는 표준 벤치마크 프로그램들이 사용된다. 이러한 프로그램들은 특정 유형의 작업 부하를 모방하여 서로 다른 CPU 간의 성능을 공정하게 비교할 수 있는 기준을 제공한다.

하지만 CPU 성능을 높이기 위한 여러 설계 요소들은 서로 상충 관계(트레이드오프)를 가지는 경우가 많다. 예를 들어, 단순히 처리 속도를 높이는 데 집중하면 전력 소모가 증가하거나 비용이 높아질 수 있다. 반대로 전력 효율이나 비용 효율성을 우선시하면 최고 성능이 제한될 수 있다. 따라서 CPU 성능을 종합적으로 이해하기 위해서는 단일 지표가 아닌, 사용 목적에 맞는 다양한 지표와 벤치마크 결과를 균형 있게 고려해야 한다. 구체적인 성능 지표의 종류와 다양한 벤치마크 프로그램에 대한 자세한 설명은 이어지는 하위 섹션에서 다룬다.

4. 1. 성능 지표

이러한 성능 지표들은 서로 상충 관계(trade-off)에 있는 경우가 많다. 예를 들어, 단순히 처리 속도를 높이기 위한 설계는 전력 효율성(와트당 성능), 비용 효율성(달러당 성능), 실시간 응답성 등을 악화시킬 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서 프로세서 설계 시에는 목표하는 용도와 환경에 맞춰 어떤 성능 지표를 우선시할지 결정하는 것이 중요하다.

4. 2. 벤치마크 프로그램

• Whetstone (1972년): 주로 부동소수점 연산 성능을 측정한다.
• Dhrystone (1984년): 주로 정수 연산 및 문자열 처리 성능을 측정한다. VAX 11/780 컴퓨터에서의 결과를 기준으로 한 DMIPS(Dhrystone MIPS) 값은 여전히 사용되기도 한다.
• 표준 성능 평가 공사 (SPEC) 시리즈 (1988년~): 산업 표준으로 널리 사용되며, 정수 연산 성능을 측정하는 SPECint와 부동소수점 연산 성능을 측정하는 SPECfp가 대표적이다.
• EEMBC (임베디드 마이크로프로세서 벤치마크 컨소시엄)의 ConsumerMark: 임베디드 시스템 마이크로프로세서의 성능을 측정하기 위해 개발되었다.

• HPL (High-Performance Linpack): 선형 대수 라이브러리인 LINPACK에 기반하며, 밀집 행렬을 이용한 대규모 연립 일차 방정식 풀이 성능을 측정한다. TOP500 슈퍼컴퓨터 순위의 표준 벤치마크로 오랫동안 사용되고 있다.
• HPCG (High Performance Conjugate Gradient): 켤레 기울기법을 이용하며, 희소 행렬 계산 성능을 측정한다. HPL이 측정하지 못하는 메모리 대역폭이나 통신 성능 등을 반영하여 HPL을 보완하는 벤치마크로 여겨진다.
• Graph500: 거대 규모의 그래프 탐색 성능을 측정하며, 초당 처리 간선 수(TEPS, Traversed Edges Per Second)를 지표로 사용한다. 빅 데이터 분석 등에서 중요성이 커지고 있다.
• Green500: HPC 시스템의 에너지 효율을 평가하는 벤치마크로, 성능(FLOPS)을 소비 전력(Watt)으로 나눈 값을 기준으로 순위를 매긴다. 와트당 성능이 중요한 평가 요소이다.

5. CPU 시장

CPU가 사용되는 시장은 여러 가지가 있으며, 각 시장은 CPU에 대한 요구 사항이 다르다. 따라서 한 시장을 위해 설계된 장치가 다른 시장에는 적합하지 않은 경우가 많다.

마이크로프로세서 시장은 크게 세 가지 주요 분야로 나눌 수 있다.

• 범용 컴퓨팅 시장: 주로 개인용 컴퓨터와 서버에 사용되며, 과거 인텔의 IA-32 아키텍처가 시장을 주도했고 높은 부가가치를 창출했다.
• 과학 기술 컴퓨팅 시장: 슈퍼컴퓨터 등을 활용하는 시장으로, 주로 연구 기관이나 대학교가 고객이다. 과거에는 이 시장을 위한 전용 CPU 설계가 활발했지만, 점차 범용 CPU를 활용하는 방식으로 변화했다.
• 임베디드 시스템 시장: 출하량 기준 최대 시장으로, 각종 전자기기에 내장되는 마이크로컨트롤러(또는 '''원칩 마이컴''')가 대표적이다. 저렴한 가격, 저전력, 기능 통합, 빠른 인터럽트 반응 속도, 비교적 긴 생산 기간 등이 주요 특징이다.

5. 1. 범용 컴퓨팅 시장

• 단일 프로그램 또는 스레드의 성능 강화
• 여러 프로그램 또는 스레드의 처리량 성능 강화
• 동일 성능 수준에서 더 낮은 소비 전력 달성
• 동일 성능 수준에서 더 낮은 가격 달성
• 연결성 강화를 통한 대규모 병렬 시스템 구축 지원
• 특정 시장을 겨냥한 특화 설계

5. 2. 과학 기술 컴퓨팅 시장

5. 3. 임베디드 시스템 시장

• 저렴한 비용: 대량 생산되고 특정 용도에 맞춰지므로 가격 경쟁력이 매우 중요하다.
• 낮은 전력 소비: 많은 임베디드 기기는 제한된 배터리 수명으로 작동하거나 냉각 팬을 설치하기 어렵기 때문에, 전력 소모를 최소화하는 것이 핵심적인 설계 목표가 된다.
• 주변 장치 통합: 시스템 전체 비용을 낮추고, 소비 전력을 줄이며, 회로 기판의 공간을 절약하기 위해 GPIO와 같은 주변 장치들을 프로세서와 동일한 실리콘 칩 위에 통합한다. 칩 내부에 주변 장치를 두면 외부 신호 유지를 위해 필요했던 높은 전류 부하를 감당할 버퍼링 필요성이 줄어들어 전력 소모 감소에도 기여한다. 또한, 물리적 공간이 제한적인 많은 임베디드 환경에서 칩 내 통합은 필수적이다.
• 메모리 통합: 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리 역시 동일 칩에 통합되는 경우가 많다. 만약 허용된 프로그램 메모리가 ROM 뿐이라면, 이 장치는 마이크로컨트롤러로 분류된다.
• 인터럽트 지연 시간: 많은 임베디드 애플리케이션에서는 외부 사건에 대한 빠른 반응 속도, 즉 인터럽트 지연 시간을 최소화하는 것이 일부 범용 프로세서에서보다 더 중요하다.

• 8051: 연간 약 10억 개가 출하되어 가장 많은 수량을 기록하는 임베디드 CPU 제품군이다.^[7] 매우 저렴한 가격과 함께, 설계 자산(IP)이 널리 보급되어 있어 새로운 설계에 드는 시간과 비용이 거의 0에 가깝다는 장점이 있다. 현재는 더 큰 시스템 온 칩(SoC)의 일부 구성 요소로 내장되는 경우가 많다. 일부 8051 구현은 2,200개의 논리 게이트와 0.473mm²의 작은 실리콘 면적만을 사용하며, 그 비용은 0.001USD 수준까지 낮아졌다.^[8][9]
• ARM 아키텍처: 2009년 기준으로, 다른 어떤 32비트 명령어 집합 아키텍처보다 ARM 기반 CPU가 더 많이 생산되었다.^[10][11] ARM 아키텍처와 그 첫 번째 칩은 약 1년 반의 기간 동안 5 인년(person-year)으로 설계되었다.^[12] 스마트폰, 태블릿 등 모바일 기기 시장에서 압도적인 점유율을 차지하며 임베디드 시스템 시장의 성장을 이끌고 있다.
• 기타 아키텍처:
• 32비트 패럴랙스 프로펠러 마이크로컨트롤러 아키텍처와 첫 칩은 두 사람이 약 10 인년으로 설계했다.^[13]
• 8비트 AVR 아키텍처와 첫 AVR 마이크로컨트롤러는 노르웨이 과학 기술 대학교의 두 학생이 구상하고 설계했다.
• 8비트 6502 아키텍처와 첫 칩은 약 9명의 그룹이 13개월 만에 설계했다.^[14]

• 단일 프로그램 또는 스레드의 성능 강화
• 여러 프로그램 또는 스레드의 처리량(throughput) 성능 강화
• 동일한 성능 수준을 더 낮은 소비 전력으로 달성
• 동일한 성능 수준을 더 낮은 가격으로 달성
• 연결성을 강화하여 더 큰 규모의 병렬 시스템 구축 지원
• 특정 시장을 목표로 하는 기능 특화

• 전체 칩 크기를 축소하면(포토마스크 축소) 동일한 수의 트랜지스터를 더 작은 면적에 집적할 수 있어 성능이 향상되고(트랜지스터가 작아지면 스위칭 속도가 빨라짐), 전력 소비가 줄어들며(배선이 짧아지면 기생 용량이 감소), 비용이 절감된다(동일한 실리콘 웨이퍼에서 더 많은 칩 생산 가능).
• 동일한 다이(die) 크기를 유지하면서 프로세서 코어만 축소하면, 남는 공간에 캐시 메모리를 추가하거나 여러 개의 프로세서 코어를 집적하는 등 성능을 향상시키고 시스템 전체 비용을 절감할 수 있는 여지가 생긴다.

6. 한국의 CPU 설계 기술 현황과 과제

한국은 메모리 반도체 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖추고 있지만, CPU를 포함한 시스템 반도체 설계 기술은 상대적으로 뒤처져 있다는 평가를 받는다. 이는 한국 반도체 산업의 불균형적인 구조를 보여주는 단면이기도 하다.

삼성전자, SK 하이닉스와 같은 국내 주요 기업들이 자체적인 CPU 설계 역량을 강화하기 위해 노력하고 있으나, 아직까지는 인텔, ARM 등 해외 기업의 기술에 대한 의존도가 높은 상황이다. 특히 고성능 서버용 CPU나 모바일 AP의 핵심 코어 설계 등 중요 분야에서는 이러한 경향이 더욱 두드러진다.

AI, 자율주행차, IoT 등 4차 산업혁명 시대를 맞아 핵심적인 역할을 수행할 시스템 반도체, 그중에서도 연산의 핵심인 CPU 설계 기술 확보는 국가 경쟁력 차원에서 매우 중요한 과제로 부상하고 있다. 따라서 해외 기술 의존도를 낮추고 독자적인 CPU 설계 역량을 키우는 것이 한국 반도체 산업의 지속적인 성장을 위한 시급한 과제로 지적된다.

7. 미래 CPU 설계 기술 동향

무어의 법칙이 물리적 한계에 가까워짐에 따라, 전통적인 단일 코어 성능 향상만으로는 컴퓨팅 성능 요구를 충족하기 어려워지고 있다. 이에 따라 CPU 설계 기술은 성능 향상, 전력 효율 증대, 새로운 기능 통합 등 다양한 방향으로 혁신을 모색하고 있다.

가장 두드러진 변화는 다중 코어(Multi-core) 설계의 보편화이다. 여러 개의 CPU 코어를 하나의 칩에 집적하여 병렬 처리 능력을 높이는 방식이다. 더 나아가, 고성능 코어와 저전력 코어를 함께 탑재하여 작업 부하에 따라 효율적으로 작동하는 이종 코어(Heterogeneous computing) 아키텍처도 스마트폰 AP를 중심으로 널리 사용되고 있으며, 데스크톱 및 서버 CPU로도 확산되고 있다.

최근에는 칩렛(Chiplet) 기술이 주목받고 있다. 이는 CPU, GPU, 메모리 컨트롤러, 입출력(I/O) 등 다양한 기능을 가진 작은 반도체 조각(칩렛)들을 하나의 패키지 위에 연결하여 고성능 프로세서를 구현하는 방식이다. 칩렛 구조는 각 기능별로 최적화된 공정을 사용하고, 개발 비용과 시간을 절감하며, 수율을 높이는 데 유리하다.

또한, 인공지능(AI) 연산 능력이 중요해짐에 따라, CPU 내부에 AI 가속을 위한 전용 하드웨어를 통합하는 추세가 강화되고 있다. 신경망 처리 장치(NPU) 등이 대표적이다. 미래에는 양자 컴퓨팅과 같은 새로운 컴퓨팅 패러다임과 기존 CPU 아키텍처를 어떻게 연계하고 통합할 것인지에 대한 연구도 활발히 진행될 것으로 예상된다. 이러한 주류 기술 발전 외에도 다양한 새로운 설계 아이디어들이 연구되고 있다.

7. 1. 새로운 설계 아이디어

참조

_[1] 웹사이트 Xilinx Announces World Largest FPGA: Virtex Ultrascale+ VU19P with 9m Cells https://www.anandtec[...] 2019-08-27
_[2] 서적 Digital Systems: From Logic Gates to Processors https://books.google[...] Springer 2016-10-12
_[3] 웹사이트 EEMBC ConsumerMark http://www.eembc.org[...]
_[4] 웹사이트 Power could cost more than servers, Google warns https://www.zdnet.co[...] 2005-12-09
_[5] 뉴스 AMD Loses Market Share as Mobile CPU Sales Outsell Desktop for the First Time. http://www.maximumpc[...] Maximum PC 2010-10-26
_[6] 간행물 New system manages hundreds of transactions per second Electronics magazine 1984-04-19
_[7] 웹사이트 8051 Overview http://people.wallaw[...] 2011-07-10
_[8] 웹사이트 T8051 Tiny 8051-compatible Microcontroller http://www.keil.com/[...]
_[9] 문서 To figure dollars per square millimeter, see [http://www.overclockers.com/forums/showthread.php?t=550542], and note that an SOC component has no pin or packaging costs. http://www.overclock[...]
_[10] 뉴스 ARM Cores Climb Into 3G Territory http://www.extremete[...] 2002
_[11] 뉴스 The Two Percent Solution http://www.embedded.[...] 2002
_[12] 웹사이트 ARM's way https://web.archive.[...] 1998
_[13] 웹사이트 Why the Propeller Works http://www.parallax.[...]
_[14] 웹사이트 Interview with William Mensch http://silicongenesi[...] 2009-02-01
_[15] 웹사이트 Design and Implementation of RISC I http://www.eecs.berk[...]
_[16] 웹사이트 the VHS http://sub-zero.mit.[...]
_[17] 웹사이트 Teaching Computer Design with FPGAs http://www.fpgacpu.o[...]
_[18] 논문 A 20-MIPS sustained 32-bit CMOS microprocessor with high ratio of sustained to peak performance 1989-10
_[19] 웹사이트 MultiTitan: Four Architecture Papers http://www.hpl.hp.co[...]
_[20] 문서 参: 英語版Wikipediaの対応する記事の記事名はProcessor designとなっている。
_[21] 문서 http://id.nii.ac.jp/[...]
_[22] 문서 http://catb.org/~esr[...]
_[23] 문서 いわゆるDGEMM
_[24] 웹인용 Xilinx Announces World Largest FPGA: Virtex Ultrascale+ VU19P with 9m Cells https://www.anandtec[...] 2019-08-27