CPU 성능 향상과 앞으로의 전개 방향은...

프로세서의 성능 향상을 위해서...

현재 모습의 개인용 컴퓨터는 인텔의 16비트 프로세인 4.7MHz 동작 속도를 갖는 8086에서 시작되었어 80286, 80386, 80486, 펜티엄, 펜티엄프로, 펜티엄II 그리고 펜티엄III까지 출시되어 사용되고 있다. 80386에서 펜티엄III까지는 32비트 프로세서이다. 최근에 발표된 펜티엄III 1GHz 제품은 최초 제품에 비하여 20배 이상의 동작 속도와 100 가량의 연산 성능을 가지고 있다.
프로세서의 성능을 향상시키는 방법은 크게 4가지로 구분을 할 수 있다.

-> 동작속도를 높이는 방법
-> 명령어 수행 시간을 단축시키는 방법
-> 한번에 여러 개의 데이터를 실행하는 방법
-> 한번에 여러 개의 명령어를 실행하는 방법

동작 속도를 높이기 위해서는 보다 정밀한 반도체 공정이 필요하게 되고 소비전력의 증가로 인한 심한 발열 문제를 해결해야 한다. 특히, 최신 프로세서는 대용량의 캐쉬 메모리를 내장하고 각종 고급 명령어들을 지원하기 위해서 명령어 유니트가 확장되어졌기 때문에 발열은 더욱 심화되게 된다. 따라서 단순히 동작 속도를 높이는 방법은 물리적으로 한계를 갖게 된다.

인텔의 프로세서는 CISC(Complex Instruction Set Computer) 방식으로 새로운 명령어가 필요하게 되면 명령어 길이를 늘리는 방법으로 명령어를 추가해 오고 있다. 또한, 데이터의 길이나 형식에 따라서도 전체 명령어의 길이는 1∼18 바이트까지 가변적이다. 이러한 명령어 방식은 하위 프로세서의 명령어를 그대로 수용하여 호환성이 뛰어나고 순차 실행 시 효율이 뛰어난 장점을 가지고 있는 반면에 명령어의 해석을 위해서 보다 복잡한 다단계 방법이 필요로 하게 된다. 따라서 명령어의 실행 시간이 길어지게 된다. 이것을 극복하기 위해서 프로세서에 여러 개의 명령어 해석기를 내장하여 한번에 2∼3개의 명령어를 동시에 해석함으로 해서 명령어의 실행 시간을 최소화하고 있다. 이때 여러 개의 해석기는 병렬로 동작하며, 이것을 슈퍼 스케일러 방식이라 하며, 인텔 펜티엄부터 도입이 되었다.
한번에 여러 개의 명령어를 처리하게 되는 경우에도 전체적인 평균 실행 시간을 단축시킬 수 있다. 문제는 CISC 방식의 명령어는 순차적으로 해석 실행이 되어야 하기 때문에 동시 수행 효율을 떨어뜨리게 된다. 따라서 CISC 명령어를 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 명령어로 변환하여 이것을 다시 병렬 처리하는 방법이 사용되었으며, 명령어 실행 시간도 함께 줄일 수 있다. RISC 명령어는 명령어의 길이가 고정되어 있고 한번의 클럭으로 명령어 실행이 가능한 단순 구조를 가지고 있다. 실제로 3개의 명령어 해석기와 5∼7개의 실행 유니트를 가지고 클럭당 2개 정도의 명령어를 처리하게 된다.

[그림] RISC86 Concept

프로세서의 성능은 단위 시간당 처리할 수 있는 명령어 또는 데이터의 개수로 표현하게 된다. 한번에 여러 개의 데이터를 동시에 처리하게 된다면 단순 반복적인 데이터 처리 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 펜티엄II/III에는 MMX(MultiMedia eXtension) 명령어와 SSE(Streaming SIMD Extension) 명렁어를 지원하며, AMD/Cyrix/IDT사의 프로세서에서도 MMX와 3DNow! 명령어를 지원한다. MMX 명령어는 SIMD(Single Instruction Multiple Data) 방식으로 한개의 명령어로 8∼2개의 데이터를 동시에 처리하는 명령어이며, 순수하게 정수만 처리가 가능하다. 반면에 SSE, 3DNow! 명령어는 한개의 명령어로 4개의 실수를 처리할 수 있다. 결과적으로 기존 방식에 비하여 클럭당 4배의 데이터를 처리할 수 있으며, 실제 프로그램에서 두배 정도의 효율을 보이게 된다. 정수 방식의 SIMD 명령어는 음성/그래픽과 같은 멀티미디어 정보의 처리에 적합하기 때문에 MMX라는 명칭이 붙었으며 실수 방식의 명령어는 3차원 그래픽 연산에 적합하기 때문에 3차원 그래픽 연산 가속 명령어라고도 한다.
 

[일반 연산은 데이터 비트에 관계 없이 하나의 연산으로 취급하지만 SIMD 방식에서는 개개의 데이터가 별도로 독립된 연산으로 취급이 된다.]

SIMD 방식은 한번에 여러 데이터를 처리할 수 있지만 문제는 불규칙적인 연산에는 적용이 어렵다는 것이고 실제 일반 프로그램에서 요구되는 사양이다. 이 경우에는 여러 개의 명령어를 처리해야 한다. 물론, RISC 기술을 이용하여 이를 구현하고 있지만 프로그램 실행 과정에서 최적화 시키고 순서를 정해야 하기 때문에 그리 효율이 높지는 못하다. 이를 극복하기 위해서 최근에 인텔에서는 EPIC 이라는 새로운 명령어 체계를 만들었으며 이것은 VLIW(Very Long Instruction Word) 방식과 RISC 방식의 장점을 혼합한 것으로 클럭당 실행 가능한 명령어 개수를 극대화시키고 있다. VLIW 방식은 256∼1024비트 명령어를 사용하며 명령어에는 2∼3개의 연산이 축약되어 있다. 실제로 EPIC에서는 3개의 연산을 축약하고 이것의 3세트를 동시에 실행시킬 수 있다. 이것은 소프트웨어가 기계어로 번역되는 과정에서 미리 프로그램의 실행 순서와 실행 명령어의 분기위치 등 병렬 처리에 필요한 모든 정보를 명령어 자체에 포함을 시켰기 때문에 기존의 프로세서에 비하여 50% 이상의 높은 효율을 발휘하며 특히 전용으로 최적화된 명령어 세트를 사용하는 경우에 최대 200% 이상의 성능 향상을 기대할 수 있다.
 

[일반적인 방법에서는 명령어 수행에서는 3∼4 단계의 실행이 필요하며, 두번의 분기를 갖는다. 하지만 VLIW 방식에서는 분기 코드가 별도 없으며, 2단계로 실행이 끝나게 된다.]

현재의 프로세서...
현재는 인텔 펜티엄III와 AMD 애슬론 프로세서가 최고의 프로세서 위치를 가지고 경쟁을 벌이고 있으며 1GHz 동작 속도까지 접근하였다.

[표] 인텔 펜티엄III와 AMD 애슬론 프로세서의 사양 비교

		Intel Pentium III	AMD Athlon
Interface	Type	Slot1/Slocket370	Slot A
	Protocol	AGTL	EV-6
	Clock	100/133MHz	200MHz
Core	Codename	Deschutes/Coppermine	Athlon
	FAB Level	0.2x  or 0.18um	0.2x or 0.18um
	Integer Unit	2	3
	FP Unit	1	2
	SIMD Unit	1	2(Shared with FPU)
	Memory Unit	1	3+1
	Extension	MMX/SSE	MMX/Enhanced 3DNow
L1 Cache	Size	32KB	128KB
	Speed	Full Speed	Full Speed
L2 Cache	Size	512KB or 256KB	512KB
	Speed	1/2 or Full CPU Clock	1/2 CPU Clock

인텔 펜티엄III는 3개의 명령어 디코더와 5개의 실행 유니트로 구성되어 있는 반면에 AMD 애슬론 프로세서는 3개의 명령어 디코더와 9개의 명령어 실행 유니트로 구성되어 있다. 결과적으로 동일 클럭당 처리할 수 있는 명령어의 개수는 애슬론 프로세서가 훨씬 많다. 특히, 최적화된 RISC86 기술로 850MHz 이하의 프로세서에서는 인텔에 비하여 10∼30% 정도 앞서는 정수 성능과 10∼20% 정도 우수한 실수 연산 성능을 보여 주었다.
프로세서의 성능 향상과 더불어 낮은 메모리 성능에 의한 시스템 병목이 발생하게 되며, 인텔은 1GHz 프로세서 ABS(Advanced Buffering System)을 도입하여 메모리 병목을 최소화 하였지만, 애슬론의 기존의 구조를 그대로 유지하였고 결과적으로 펜티엄III 프로세서가 1GHz 제품부터는 애슬론에 비하여 대부분의 응용 프로그램에서 5∼10% 정도의 높은 성능을 구현하였다.

[펜티엄III의 명령어 흐름도]

[그림] 애슬론 프로세서의 데이터 흐름

미래의 프로세서...
인텔은 두 가지의 차세대 제품군을 가지고 있으며 첫번째로 32비트 프로세서 계열인 윌라매트와 64비트 프로세서 계열인 이타니움이 있다. 두가지 제품 모두 2000년 하반기에 출시될 제품들로 이미 성공적으로 시연을 끝마친바 있다. 특히, 윌라매트는 프로세서 동작 속도에 비하여 정수 유니트의 실행 속도를 두배로 동작시키고 있으며 상대적으로 길이가 작은 정수 명령어 계열의 속도를 높여서 최적의 동작 속도를 얻는 방식이다. 실제로 시연된 제품에서는 실수 속도는 1GHz 그리고 정수 속도는 2GHz 동작 속도를 보였으며 AMD 애슬론 프로세서와 비교하면 동일 클럭에서 20% 정도의 높은 실수 연산 성능과 40% 이상의 높은 정수 연산 성능을 보여 주었다. 인텔의 이타니움은 개인적인 사용자들을 대상으로 하지만 일반 컴퓨터가 아닌 고급 웍스테이션 컴퓨터를 대상으로 출시된 제품이다. EPIC(VLIW + RISC) 이라는 새로운 아키텍쳐를 사용하였기 때문에 기존의 CISC 명령어는 중간 변환기를 이용하여 처리하게 되고 결과적으로 기존 프로그램에서의 성능 향상도는 크지 않다. 단지, 최적화된 전용 프로그램의 경우에 기존의 펜티엄III의 두배 이상의 성능을 구현할 수 있다.
AMD는 K8 제품을 서두르고 있으며 기존의 CISC 명령어를 확장하여 64비트 코드를 별도로 지원하게 된다. CISC 방식을 고수하였기 때문에 기존의 프로그램과 100% 호환이 가능하며 성능도 클럭에 비례하여 향상되게 된다.

Summary

 1세대에서 6세대까지
모든 프로세서는 보다 높은 성능을 얻기 위해 노력하고 있으며, 이를 위해서 가장 일반적으로 사용하는 방법으로 처리 단위를 높이는 방법과 동작 속도를 높이는 방법, 그리고 명령어 수행 시간을 최소화하는 방법이 있다.

첫 번째로 처리 단위를 높이는 것으로 현재의 모습을 갖추는 최초의 개인용 컴퓨터인 IBM/XT, IBM/AT 제품은 16비트 단위로 데이터를 처리할 수 있는 반면에 386/486/펜티엄/펜티엄II/펜티엄III와 같이 최근에 출시된 모든 제품들은 32비트 연산이 가능하다. 따라서 32비트 정밀도 연산을 1번에 처리할 수 있지만 16비트 제품은 2회 이상의 연산이 필요하다. 또한 64비트 연산은 32비트 프로세서도 2회 이상의 연산이 필요하며 향후 등장할 64비트 프로세서는 지금의 프로세서에 비하여 최대 두배까
지 성능이 향상될 수 있다.

두 번째로 처리 속도를 높이는 방법으로 2000년 3월 1GHz 동작 속도를 갖는 인텔 펜티엄III와 AMD 애슬론 프로세서가 발표된바 있다. 이것은 현재 가장 일반적으로 사용되는 500MHz 급의 프로세서에 비하여 두배의 처리 성능을 가지며, 최초의 IBM/XT가 4.77MHz에서 동작한 것에 비교하면 20배 이상의 빠른 속도를 가지게 된다. 이처럼 높은 동작 속도를 가지기 위해서는 고도로 정밀한 반도체 제작 공정이 필요하며 실제로 500MHz 프로세서는 0.25 미크론 공정으로 제작되며 1GHz 프로세서는 0.18
미크론 공정으로 제작된다. 최근에 0.15 또는 0.13 미크론 공정을 도입하려는 시도가 이루어지고 있다.

세 번째로 명령어 처리 시간을 최소화하는 방법이 있다. 현재 개인용 프로세서는 CISC(Complex Instruction Set Computer) 방식으로 한 개의 명령어를 처리하기 위해서는 일반적으로 2회 클럭이 소요된다. 평균 클럭 소요량을 절반 이하로 줄이게 되면 그 만큼 성능이 개선된다. 이를 구현하기 위해서 펜티엄 프로 또는 K6 등과 같은 6세대 프로세서부터 CISC 명령어를 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 명령어로 변환하여 처리하는 방식을 도입하였다.  프로세서에 2∼3개의 명령어 변환기와 3∼9개의 명령어 처리기를 내장하여 비록 한 개의 명령어가 시작에서 끝까지 걸리는 시간은 큰 차이가 없지만 다단계(Multi Stage) 처리를 연속적으로 수행하는 파이프라이닝(Piplineing) 기술을 이용하여 명령어 처리 시간이 클럭당 1∼2개의 명령어를 처리하게 된다. 이것이 6세대 프로세서의 대표적인 특징으로 Dynamic Execution, Super Scalar, RISC86 등의 용어들의 궁극적인 개념이다.

이러한 단순한 성능 향상 기법은 물리적인 기술적 제약을 받게 된다. 이를 극복하기 위해서 논리적인 기술을 도입하고 있다. 프로세서의 성능은 단위 시간당 처리할 수 있는 명령어의 개수 또는 데이터의 개수로 표현된다. 따라서 한번에 여러 개의 명령어 또는 데이터를 처리하는 방법이 도입되었다.
가장 최근에 도입된 방법으로 SIMD(Single Instruction Multiple Data) 처리 방식이다. 기존의 개념은 32비트 프로세서로 8비트 연산이나 32비트 연산이 모두 한번에 한 개의 데이터만을 처리할 수 있었다. 하지만 SIMD 방식은 32비트 프로세서의 경우에 8비트 데이터 4개를 한번에 처리하게 된다. 이것이 MMX(MultiMedia eXtension), 인텔의 펜티엄III에 도입된 SSE(Streaming SIMD Extension), AMD사의 K6 또는 애슬론 프로세서에 도입된 3DNow! 명령어가 있으며, 정수 또는 실수 연산을 한번에 4
개씩 처리할 수 있다.
 
7세대와 그 이후를 예견하여 본다면…
향후 프로세서에 도입될 새로운 방법으로 VLIW(Very Long Instruciton Word) 방식이 있으며, 이미 DSP(Digital Signal Processor) 또는 Alpha 계열의 보조 연산기에 이용되고 있는 방식이다. 단, 개인용 컴퓨터에 사용될 범용화와 단순화가 주된 이슈가 되고 있다. VLIW 방식에서는 여러 개의 프로세서를 하나의 유니트로 구성하고 한번에 세트화되어진 명령어를 동시에 처리하는 개념이다. 이것은 순차적으로 이루어진 명령어를 여러개의 처리 유니트가 처리가 하는 것과는 명령어 구성 자체가 다르며, 실제로 일반 프로그래밍 언어로 작성된 소프트웨어가 기계어로 번역되는 과정에서 명령어의 구조가 최적화 되고 세트화된 처리가 가능하도록 구성이 되기 때문에 처리 효율이 높고 현저한 성능 향상율을 보이게 된다. 실제로

 RISC 기술과 VLIW 기술을 병합하여 새롭게 구성한 인텔의 EPIC 기술을 적용하여 제작된 인텔 64비트 프로세서인 아이타니움(Itanium)의 경우에 3개의 128비트 명령어 슬롯과 3개의 파이프라인을 가지고 있기 때문에 일반 프로세서의 개념으로 128x3=384비트 프로세서에 해당한다. 물론, 내부 레지스터가 64비트 이기 때문에 엄격하게 64비트 프로세서로 구분될 뿐이다. 이처럼 명령어의 길이가 길어지만 복잡한 연산의 경우도 클럭당 여러개를 처리할 수 있게 되며 기존의 방식에 비하여 50∼100% 가량 높은 성능 향상율을 가질 수 있다.

차세대 프로세서로 주목을 받고 있는 제품으로 인텔의 윌라매트(32비트), 아이타니움(64비트) 그리고 AMD K8(64비트) 프로세서가 있으며, 윌라매트는 비교적 단순한 정수 연산 유니트를 보다 정밀한 반도체공정(0.13미크론) 그리고 기타의 연산부는 기존의 0.18 미크론 공정으로 제작되어진다. 또한 동작 속도를 정수 부분은 일반 부분에 비하여 두배의 동작 속도를 가지게 하는 방식으로 궁극적으로 전체가 않되면 부분적이라도 보다 빠른 동작 속도를 추구하는 방식이라 할 수 있다. 특히, 고속 프로세서에 가장 중요하게 인식되고 있는 캐쉬 기술과 메모리 기술이 프로세서 코어에 비하여 낮은 성능을 가지고 있기 때문에 비교적 명령어 길이가 작은 정수 유니트의 성능을 올리는 방법은 프로세서의 명령어 효율을 극대화하는 것에도 도움이 될 수 있다. 반면에 아이타니움과 K8과 같이 64비트 프로세서 그리고 고급 제품들은 가장 핵심 성능이 실수 연산 성능으로 윌라매트와 같은 단순 기술이 아닌 보다 궁극적인 해결책이 필요하며, 아이타니움은 EPIC 기술을 새롭게 적용하였고 AMD K8에서는 명령어 실행기와 변환기를 지금의 두배 수준으로 확장하는 방법이 사용된다. 이 경우에 성능을 배가할 수는 있지만 현재 1GHz 시스템에서 겪고 있는 시스템 병목을 피할 수 없다. 따라서 고속 시스템 버스 기술과 고속 메모리 기술을 이용하여 메모리 병목을 해결하고 프로세서의 동작 속도를 극대화한다는 취지이다.
결국 인텔의 아이타니움은 새로운 구조로 프로세서가 개발되었기 때문에 현재의 소프트웨어에 대한 하향 호환성은 떨어지지며 단지 성능은 월등히 향상된 구조를 갖게 되며, AMD K8은 하향 호환성을 그대로 유지하고 성능을 배가하고 있다. 물론, 어떤 프로세서가 실제 효율이나 성능에서 최고점을 잡을 수 있을지는 실제 프로세서가 상용화되어 충분한 검토가 되어야 하겠지만 현재 수준에서 두 제품의 경쟁은 만만치 않다.