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StrongARM

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목차

1. 개요

StrongARM은 ARM과 DEC의 공동 프로젝트로 개발된 고성능 CPU로, 기존 ARM 프로세서의 성능 한계를 극복하고 저전력 임베디드 시장, 특히 PDA 및 셋톱 박스용으로 설계되었다. 1997년 DEC가 인텔에 반도체 부문을 매각하면서 StrongARM 기술도 인텔로 이전되었고, 인텔은 이 기술을 기반으로 XScale 프로세서를 개발했다. StrongARM은 SA-110, SA-1100, SA-1110, SA-1500 등 다양한 제품군을 갖추었으며, 기술적 특징으로 5단계 파이프라인과 16KB 캐시를 사용했다.

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StrongARM
StrongARM 마이크로프로세서 제품군
StrongARM SA-110 다이 샷
StrongARM SA-110 다이 샷
일반 정보
설계사DEC
제조업체인텔
제품군ARM
명령어 집합ARMv4
코어ARM7
기술 사양
클럭 속도100–233 MHz
L1 캐시16KB 명령어, 16KB 데이터
L2 캐시외부 (선택 사항)
다이 크기7.4 mm × 7.8 mm
트랜지스터 수230만 개
전압1.5V–3.3V
전력 소비0.5W–1.4W (최대 클럭 속도에서)
제품
SA-1101996년
SA-11101998년
기타
후속 제품XScale

2. 역사

StrongARM은 DEC와 ARM의 협력 프로젝트로, 기존 ARM 프로세서보다 더 빠른 CPU를 개발하기 위해 시작되었다. 이 프로젝트는 PDA, 셋톱박스와 같이, 기존 ARM보다 더 많은 성능을 필요로 하는 저전력 임베디드 시장을 대상으로 했다.[39][40]

DEC는 매사추세츠주에 반도체 부문을 두고 있었지만, 실리콘밸리의 인재 확보를 위해 팰로앨토에 디자인 센터를 설립했다. 이 센터는 댄 도버풀 주도로 StrongARM 프로젝트의 주된 디자인 사이트가 되었다. 오스틴에도 애플과 모토로라에서 복귀한 전 DEC 디자이너들이 설립한 디자인 센터가 있었다.[26][27] 1995년에 프로젝트가 시작되어, 곧 첫 번째 제품인 SA-110을 출시했다.

DEC는 애플 뉴턴의 ARM 플랫폼 기반에 착안, 애플에 고성능 ARM에 대한 관심을 문의했고, 애플 엔지니어들은 긍정적인 반응을 보였다.[3]

1997년, DEC는 소송 합의로 StrongARM을 인텔에 매각했다.[41] 인텔은 StrongARM을 자사 RISC 프로세서 계열(i860, i960) 대체에 사용했다. 이후, 인텔은 2000년에 새로운 StrongARM 코어인 XScale을 출시하였다.[42]

2. 1. 개발 배경

1990년대 중반, PDA와 셋톱박스 등 임베디드 시스템 시장이 성장하면서, 기존 ARM 프로세서보다 더 높은 성능을 가진 프로세서에 대한 요구가 커졌다. DEC는 저전력 애플리케이션에 적합한 설계를 위해 ARM 아키텍처에 주목하였고, 고성능 ARM 프로세서 개발을 위해 ARM Holdings와 협력하게 되었다.[39][40]

DEC는 전통적으로 매사추세츠주에 반도체 부문을 두고 있었으나, 실리콘밸리의 인재를 확보하기 위해 팰로앨토에 디자인 센터를 설립하였다. 이 디자인 센터는 Dan Dobberpuhl이 이끌었으며, StrongARM 프로젝트의 주요 설계 장소가 되었다. 오스틴에도 디자인 센터가 있었는데, 이곳은 애플과 모토로라에서 복귀한 전 DEC 디자이너들이 설립하였다. 1995년에 프로젝트가 시작되어 빠르게 최초의 디자인 SA-110을 개발하였다.[3]

DEC는 1997년 소송 합의의 일환으로 StrongARM을 인텔에 판매하기로 합의하였다.[41] 인텔은 StrongARM을 i860, i960 등 자사의 RISC 프로세서 제품군을 대체하는데 사용하였다.

2. 2. DEC와 ARM의 협력

StrongARM은 DEC와 ARM의 협력 프로젝트로, 더 빠른 ARM 마이크로프로세서를 만들기 위해 시작되었다.[39][40] 이 프로젝트는 당시 ARM보다 더 많은 성능을 필요로 하는 저성능 임베디드 시장, 특히 PDA, 셋톱박스와 같은 새로운 장치들을 대상으로 했다.[39][40]

DEC는 전통적으로 매사추세츠주에 반도체 부문을 두고 있었지만, 실리콘밸리의 인재 확보를 위해 팰로앨토에 디자인 센터를 설립했다. 이 디자인 센터는 댄 도버풀의 주도 하에 StrongARM 프로젝트의 주된 디자인 사이트가 되었다. 오스틴의 디자인 센터도 프로젝트에 참여했는데, 이곳은 애플과 모토로라에서 복귀한 전 DEC 디자이너들이 설립한 곳이었다. 1995년에 프로젝트가 시작되어, 곧 첫 번째 제품인 SA-110을 출시했다.[26][27]

애플의 뉴턴 기기가 ARM 플랫폼을 기반으로 하고 있었는데, DEC는 애플에 고성능 ARM에 관심이 있는지 문의했고, 애플의 엔지니어들은 "웃기네, 안 될 거야. 하지만, 만약 할 수 있다면, 사용할 거야"라며 긍정적인 반응을 보였다.[3]

2. 3. 인텔에의 매각과 XScale

1997년, DEC는 소송 합의의 일환으로 StrongARM을 인텔에 매각했다.[41] 인텔은 StrongARM을 자사의 RISC 프로세서 계열(i860, i960)을 대체하는 데 사용했다.

DEC의 반도체 부문이 인텔에 인수되었을 때 팰로앨토 디자인 그룹의 수많은 엔지니어들은 네트워크 시장을 위한 MIPS SoC 제품을 설계하는 스타트업 기업 SiByte로 이주하였다. 오스틴 디자인 그룹은 핸드헬드 시장을 위해 MIPS SoC를 설계하는 또 다른 스타트업 기업인 알케미 세미컨덕터로 분사되었다. 새로운 StrongARM 코어는 인텔에서 개발되어 2000년에 XScale로 선보이게 되었다.[42] 2006년에는 XScale 사업을 마벨 테크놀로지 그룹에 매각했다.

3. 주요 제품군

StrongARM의 주요 제품군은 다음과 같다.


  • SA-110: StrongARM 제품군 최초의 마이크로프로세서이다. 1996년에 출시되었으며, 애플 MessagePad 2000[12], 에이콘 Risc PC 등에 사용되었다.
  • SA-1100: 1997년에 발표된 SA-110의 파생형으로, PDA와 같은 휴대용 애플리케이션을 위해 개발되었다. SA-110에 비해 데이터 캐시 크기가 8KB로 줄었지만, 메모리, PC 카드, 컬러 LCD 컨트롤러, 5개의 직렬 I/O 채널 등 다양한 기능을 통합했다. 초기에는 Psion netBook과 Psion Series 7에 사용되었다.
  • SA-1110: 인텔이 개발한 SA-110의 파생 제품으로, 1999년에 SA-1100의 대안으로 발표되었다. SA-1100과 달리 66MHz 또는 103MHz SDRAM을 지원했다. 휴대폰, iPAQ 및 Jornada와 같은 PDA, Sharp SL-5x00, 심퓨터 등에 사용되었다.
  • SA-1500: 셋톱 박스용으로 개발된 SA-110의 파생 제품이다. 개선된 SA-110 코어, 'Attached Media Processor'(AMP)라는 코프로세서, 온칩 SDRAM 및 I/O 버스 컨트롤러를 갖추고 있다.

3. 1. SA-110

SA-110은 StrongARM 제품군의 첫 번째 마이크로프로세서였다. 1996년 2월 5일에 100, 160, 200 MHz로 작동하는 초기 버전이 발표되었고[8], 1996년 9월 12일에는 더 빠른 166 및 233 MHz 버전이 발표되었다[9]。 1996년 당시, SA-110은 휴대용 장치를 위한 최고 성능의 마이크로프로세서였으며[10], 씬 클라이언트 시스템을 위한 선도적인 CPU였다[11]。 애플 MessagePad 2000[12], 에이콘 Risc PC 등 다양한 제품에 사용되었다.

SA-110은 단순한 마이크로아키텍처를 가지며, 5단계의 클래식 RISC 파이프라인을 사용하여 명령어를 순차적으로 실행하는 스칼라 프로세서 설계였다. IBOX, EBOX, IMMU, DMMU, BIU, WB 및 PLL의 여러 블록으로 구성되어 있다.

  • IBOX: 프로그램 카운터를 포함하여 파이프라인의 처음 두 단계(명령어 인출, 디코딩 및 발행)에서 작동하는 하드웨어를 포함한다. ARM 명령어 집합의 더 복잡한 명령어를 더 간단한 명령어 시퀀스로 변환하고, 분기 예측 하드웨어는 없지만 빠른 처리를 위한 메커니즘이 있었다.
  • EBOX: 세 번째 단계에서 작동하는 하드웨어로, 레지스터 파일, 산술 논리 장치(ALU), 배럴 시프터, 곱셈기 및 조건 코드 논리를 포함한다. 레지스터 파일에는 세 개의 읽기 포트와 두 개의 쓰기 포트가 있다. ALU와 배럴 시프터는 단일 사이클로 명령어를 실행하고, 곱셈기는 파이프라인되지 않으며 여러 사이클의 지연 시간을 갖는다.
  • IMMU/DMMU: 명령어와 데이터를 위한 메모리 관리 유닛이다. 각 MMU에는 4 KB, 64 KB 또는 1 MB 페이지를 매핑할 수 있는 32개 항목을 가진 완전 연관 변환 색인 버퍼가 포함되어 있다.
  • WB: 쓰기 버퍼는 16바이트 항목 8개를 가지고 있어 저장을 파이프라인할 수 있다.
  • BIU: 버스 인터페이스 유닛은 SA-110에 외부 인터페이스를 제공한다.
  • PLL: PLL은 외부 3.68 MHz 클럭 신호로부터 내부 클럭 신호를 생성한다. 스위스 뇌샤텔에 위치한 Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique(CSEM)에 위탁하여 설계되었다.


CPU 캐시와 데이터 캐시는 각각 16 KB의 용량을 가지며 32방향 세트 연관 방식을 사용하고 가상 주소로 지정된다. 높은 세트 연관성을 통해 경쟁 설계보다 더 높은 적중률을 얻을 수 있으며, 가상 주소를 사용하면 메모리를 동시에 캐싱 및 캐싱 해제할 수 있다.

SA-110은 250만 개의 트랜지스터를 포함하고 있으며 크기는 49.92mm2이다. 매사추세츠주 허드슨에 위치한 Fab 6 반도체 제조 공장에서 DEC의 독점 CMOS-6 공정으로 제조되었다. CMOS-6은 0.35 μm의 특징 크기, 0.25 μm의 유효 채널 길이를 가지고 있지만 SA-110과 함께 사용하기 위해서는 3단계의 알루미늄 상호 연결만 사용했다. 전력 소비와 성능 간의 균형을 찾을 수 있도록 가변 전압 1.2~2.2 볼트(V)의 전원 공급 장치를 사용했다. SA-110은 144핀 얇은 쿼드 플랫 팩(TQFP)으로 패키징되었다.

3. 2. SA-1100

SA-1100은 DEC에서 개발한 SA-110의 파생형으로, 1997년에 발표되었다. PDA와 같은 휴대용 애플리케이션을 위해 개발되었으며, SA-110과 달리 여러 기능을 통합했다. 데이터 캐시 크기는 8KB로 줄었다.

통합된 기능은 다음과 같다.

  • 온 다이 시스템 버스에 연결된 통합 메모리, PCMCIA, 컬러 LCD 컨트롤러
  • 시스템 버스에 연결된 주변 버스에 연결된 5개의 직렬 I/O 채널


메모리 컨트롤러는 FPM, EDO DRAM, SRAM, 플래시 메모리, ROM을 지원한다. PCMCIA 컨트롤러는 두 개의 슬롯을 지원하며, 메모리 주소 및 데이터 버스는 PCMCIA 인터페이스와 공유된다. 직렬 I/O 채널은 슬레이브 USB 인터페이스, SDLC, 두 개의 UART, IrDA 인터페이스, MCP 및 동기식 직렬 포트를 구현한다.

SA-1100에는 짝을 이루는 칩인 SA-1101이 있었으며, 인텔에서 1998년 10월 7일에 출시했다.[13] SA-1101은 비디오 출력 포트, 두 개의 PS/2 포트, USB 컨트롤러 및 SA-1100의 PCMCIA 컨트롤러를 대체하는 PCMCIA 컨트롤러와 같은 추가 주변 장치를 제공하여 SA-1100에 통합된 기능을 보완했다. SA-1101의 설계는 DEC에서 시작했지만 인텔에 인수되었을 때는 부분적으로만 완료되었으며, 인텔이 설계를 마무리해야 했다. 제조는 DEC의 허드슨, 매사추세츠 제조 공장에서 이루어졌으며, 이 공장 역시 인텔에 매각되었다.[14]

SA-1100은 250만 개의 트랜지스터를 포함하고 있으며 크기는 8.24mm x 9.12mm (75.15mm2)였다. 0.35μm CMOS 공정으로 제작되었으며 알루미늄 인터커넥트 3개 층을 사용했고 208핀 TQFP 패키지로 제공되었다.[15]

초기에는 Psion netBook과 Psion Series 7에 사용되었다.

3. 3. SA-1110

SA-1110은 인텔이 개발한 SA-110의 파생 제품이다. 1999년 3월 31일에 SA-1100의 대안으로 발표되었다.[16] 발표 당시 샘플은 1999년 6월, 대량 생산은 그해 말로 예정되었다. 인텔은 2003년 초에 SA-1110의 생산을 중단했다.[17]

SA-1110은 133MHz 또는 206MHz 버전으로 출시되었다. 이 칩은 SA-1100과 달리 66MHz(133MHz 버전에 한함) 또는 103MHz(206MHz 버전에 한함) SDRAM을 지원했다.[18] 주변 장치에 대한 추가 지원을 제공하는 보조 칩은 SA-1111이었다. SA-1110은 256핀 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지로 제공되었다.

이 칩은 휴대폰, Compaq(후에 HP) iPAQ 및 HP Jornada와 같은 개인 정보 단말기(PDA), Sharp SL-5x00 리눅스 기반 플랫폼 및 심퓨터에 사용되었다.[19] 또한 대형 화면의 휴대용 웹 브라우징을 최초로 선보인 것으로 여겨지는 태블릿 장치인 인텔 웹 태블릿에도 사용되었으나, 2001년 출시 직전에 중단되었다.

3. 4. SA-1500

SA-1500은 DEC가 셋톱 박스용으로 개발한 SA-110의 파생 제품이다.[20][21] DEC가 설계하여 소량 생산했지만, 인텔에서는 생산하지 않았다. 200~300MHz로 작동했다. SA-1500은 개선된 SA-110 코어, 'Attached Media Processor'(AMP)라는 코프로세서, 온칩 SDRAM 및 I/O 버스 컨트롤러를 갖추고 있다. SDRAM 컨트롤러는 100MHz SDRAM을 지원했고, I/O 컨트롤러는 최대 50MHz로 작동하는 32비트 I/O 버스를 구현하여 주변 장치 및 SA-1501 보조 칩을 연결할 수 있었다.

AMP는 정수 및 부동 소수점 곱셈-누산 연산과 SIMD 연산 등 멀티미디어 처리에 특화된 명령어 집합을 구현했다. 각 명령어는 64비트 길이로, 산술 연산, 분기, 로드/저장 명령을 지정할 수 있다. 명령어는 64개 항목의 36비트 레지스터 파일과 제어 레지스터 집합에 대해 작동한다. AMP는 온칩 버스를 통해 SA-110 코어와 통신하며, 데이터 캐시를 공유한다. AMP는 시프터가 있는 ALU, 분기 유닛, 로드/저장 유닛, 곱셈-누산 유닛, 단정밀도 부동 소수점 유닛을 포함했다. 또한, 512개 항목의 쓰기 가능 제어 저장소를 통해 사용자 정의 명령어를 지원했다.[22]

SA-1501 보조 칩은 추가적인 비디오 및 오디오 처리 기능과 PS/2 포트, 병렬 포트, 다양한 주변 장치 인터페이스 등 I/O 기능을 제공했다.

SA-1500은 330만 개의 트랜지스터를 집적했으며, 크기는 60mm2이다. 0.28μm CMOS 공정으로 제조되었다. 1.5~2.0V 내부 전원과 3.3V I/O 전원을 사용하며, 100MHz에서 0.5W 미만, 300MHz에서 2.5W를 소비했다. 240핀 금속 MQFP 또는 256볼 플라스틱 볼 그리드 어레이로 패키징되었다.

4. 기술적 특징

SA-110은 StrongARM 제품군의 첫 번째 마이크로프로세서이다. 1996년 2월에 100MHz, 160MHz, 200MHz 버전이 처음 발표되었고[29], 같은 해 9월에는 166MHz와 233MHz 버전이 추가로 발표되었다[30]。당시 휴대 기기용 마이크로프로세서 중 최고 성능을 자랑했다[31]。애플 뉴턴 메시지패드 2000/2100[32], 에이콘사의 Risc PC 등 여러 제품에 사용되었다.

명령어 및 데이터 캐시는 각각 16KB 용량, 32방향 세트 연관 방식, 가상 주소 지정을 사용한다. SA-110은 느린 메모리와 함께 사용하도록 설계되어 높은 세트 연관성을 통해 더 높은 적중률을 제공하고, 가상 주소를 통해 메모리 캐싱 및 해제를 동시에 수행할 수 있다. 제조 공정은 DEC의 CMOS-6 공정을 사용했으며, 0.35μm 특징 크기와 0.25μm 유효 채널 길이를 가진다. 알루미늄 배선층은 3개를 사용했다.[29]

4. 1. 마이크로아키텍처

SA-110은 단순한 스칼라 설계와 5단계 명령어 파이프라인을 가지고 있으며, 명령어를 순차적으로 실행한다. 마이크로프로세서는 IBOX, EBOX, IMMU, DMMU, BIU, WB, PLL 등의 블록으로 구성되어 있다.

블록설명
IBOX프로그램 카운터를 포함하여 파이프라인의 처음 두 단계(명령어 인출, 디코딩 및 발행)를 담당한다. 복잡한 ARM 명령어를 더 간단한 명령어 시퀀스로 변환하고, 분기 예측 하드웨어는 없지만 빠른 분기 명령어 처리를 위한 메커니즘을 갖추고 있다.
EBOX세 번째 단계(실행)를 담당하며, 레지스터 파일, 산술 논리 장치(ALU), 배럴 시프터, 곱셈기 및 조건 코드 논리를 포함한다. 레지스터 파일은 세 개의 읽기 포트와 두 개의 쓰기 포트를 가지고 있다. ALU와 배럴 시프터는 단일 사이클로 명령어를 실행하지만, 곱셈기는 파이프라인되지 않아 여러 사이클의 지연 시간을 갖는다.
IMMU/DMMU각각 명령어와 데이터를 위한 메모리 관리 유닛이다. 각 MMU에는 4KB, 64KB 또는 1MB 페이지를 매핑할 수 있는 32개 항목의 완전 연관 변환 색인 버퍼가 포함되어 있다.
WB16바이트 항목 8개를 가진 쓰기 버퍼로, 저장을 파이프라인할 수 있다.
BIUSA-110에 외부 인터페이스를 제공한다.
PLL위상 고정 루프. 외부 3.68MHz 클럭 신호로부터 내부 클럭 신호를 생성하며, 스위스 뇌샤텔의 Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique(CSEM)에서 설계했다.



명령어 및 데이터 캐시는 각각 16KB 용량, 32방향 세트 연관 방식, 가상 주소 지정을 사용한다. SA-110은 느린 메모리와 함께 사용하도록 설계되어 높은 세트 연관성을 통해 더 높은 적중률을 제공하고, 가상 주소를 통해 메모리 캐싱 및 해제를 동시에 수행할 수 있다.

4. 2. 캐시 구조

SA-110은 명령어 캐시와 데이터 캐시가 각각 16KB의 용량을 가지고 있으며, 32방향 세트 연관 방식을 사용한다[8]. 가상 주소 지정 방식을 사용하여, 느린(저렴한) 메모리 환경에서도 높은 적중률을 보인다. 가상 주소를 사용함으로써 메모리 캐싱과 캐싱 해제를 동시에 수행할 수 있다[8].

4. 3. 제조 공정

SA-110은 DEC의 CMOS-6 공정으로 제조되었으며, 0.35μm의 특징 크기와 0.25μm의 유효 채널 길이를 가진다. 알루미늄 배선층은 3개를 사용했다.[29]

4. 4. StrongARM 래치

'''스트롱암 래치'''는 전자 래치 회로 토폴로지 중 하나로, 처음에는 도시바의 기술자 고바야시 츠구오 외[25]에 의해 제안되었으며, StrongARM 마이크로프로세서에 사용된 후 주목을 받았다.[23][24] 이는 감지 증폭기, 비교기, 또는 고감도의 견고한 래치로 널리 사용된다.[23][24]

5. 한국 관련 내용

(이전 출력이 없으므로, 수정할 내용이 없습니다. 원본 소스(source)를 제공해주시면 위키텍스트 형식으로 작성하고, 그 결과를 다시 수정하는 단계를 거칠 수 있습니다.)

참조

[1] 웹사이트 StrongARM Microprocessor: SA-110 https://datasheets.c[...] 2024-07-31
[2] 웹사이트 Intel, DEC Settle Alpha Chip Dispute http://www.wired.com[...] Wired.com 2022-08-11
[3] 인터뷰 Oral History of Allen Baum https://archive.comp[...] 2018-07-18
[4] 간행물 "A 160-MHz, 32-b, 0.5-W CMOS RISC Microprocessor" http://www.hpl.hp.co[...] 1997
[5] 웹사이트 Digital targets supercharged StrongARM chip at consumer electronics market http://www.thefreeli[...] 1996-02-05
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[7] 웹사이트 Embedded Processor Watch #46; 5/4/1999 http://www.mdronline[...]
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[18] 웹사이트 The Linley Group - The industry's leading experts in communications semiconductor markets http://www.mdronline[...]
[19] 웹사이트 The Linley Group - The industry's leading experts in communications semiconductor markets http://www.mdronline[...]
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[24] 논문 The StrongARM Latch IEEE 2015-06-22
[25] 서적 1992 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers IEEE 1992-06-04
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[34] 간행물 A 200MHz 32b 0.5W CMOS RISC Microprocessor 1998
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[38] 논문 SA-1500: A 300 MHz RISC CPU with Attached Media Processor http://www.hotchips.[...] Hot Chips 10 1998-08-18
[39] 논문 A 160-MHz, 32-b, 0.5-W CMOS RISC Microprocessor http://www.hpl.hp.co[...] Digital Technical Journal 1997
[40] 웹인용 Digital targets supercharged StrongARM chip at consumer electronics market http://www.thefreeli[...] PR Newswire 2011-06-07
[41] 웹인용 Intel, Digital settle suit http://news.cnet.com[...] 2008-07-29
[42] 웹인용 Embedded Processor Watch #46; 5/4/1999


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