프로세서 고성능화 차세대 해법, ‘멀티코어’

최근 임베디드 시스템은 고성능화로 인해 단순한 주변기기를 벗어나 다양한 사용자가 원하는 복잡한 기능을 충분히 소화해낼 만큼의 뛰어난 능력을 갖추고 있다.시스템의 고성능화는 계속해서 높아지는 코어의 성능에서 시작한다고 해도 과언이 아니다. 마치 일반인들이 PC의 성능을 평가하는 기본 잣대가 CPU의 클록 속도로 판가름되는 것과 같다. 그러나 최근 인텔과 AMD는 수년 전까지만 해도 클록의 높낮음으로 자사 CPU의 우위를 따지던 경쟁 포인트로부터 점차 벗어나고 있다. 인텔의 코어 2 듀오나 AMD의 X2와 같이 한 칩에 두 개의 코어를 집적시킴으로써 성능을 개선하고 있는 것이다. 이 같은 CPU 개발방향 전환의 배경은 코어의 클록을 높이는 데 기술적인 한계에 가까워지고 있는 반면 일반인들의 경우 더 높은 클록에 대해 더 이상 매력을 느끼지 않는다는 데 있다.사무환경을 예로 들면 한글과 인터넷 창 몇 개, 그리고 메신저 등을 동시에 멀티태스킹 할 때 2GHz의 CPU이든, 3GHz의 CPU이든 체감효율은 그다지 크지 않다. 반면, 높은 클록의 CPU는 필요 이상의 전력을 소모하게 되어 효율성의 문제가 대두된다.비록 PC의 CPU를 예로 들어 설명했지만 임베디드 시스템의 설계에 있어서 전력문제는 가장 중요한 현안문제 중 하나다. 임베디드 시스템에 있어서 멀티코어는 최근에 와서야 제품화가 활발히 진행되고 있지만, 이미 수년 전부터 그 효용 가치에 대해 긍정적인 반응을 얻고 있었다.멀티코어, 몸은 하나 머리는 여러 개고성능 임베디드 시스템을 위한 프로세서의 사용에는 여러 가지 제약이 따른다. 가장 기본적인 문제는 성능을 높이기 위해 지불해야 하는 대가가 만만치 않다는 점이다. 고성능 프로세서는 기본적으로 높은 클록을 통해 그 능력을 발휘하고 있고 클록의 상승은 프로세서의 가격을 높이는 요인이 된다. 더불어 클록의 상승에 따르는 발열문제와 높은 전력소비는 피할 수 없는 골칫거리다.최근의 프로세서 기술은 고 클록을 통한 성능 개선에서 멀티코어를 이용한 효율성 쪽으로 기술 트렌드가 변화하고 있다. 멀티코어는 한 개의 칩에 여러 개의 마이크로프로세서 코어를 넣는 것을 말한다. 지금까지는 하나의 프로세서가 여러 개의 작업을 처리했기에 클록 속도가 빨라도 병목현상이 생길 경우 작업처리 속도는 제자리걸음이었다. 그러나 멀티코어에서는 여러 개의 CPU가 작업을 분산 처리해 효율성을 높일 수 있다. 또한 높은 클록으로 인한 전력소모 및 발열 문제를 동시에 해결해주는 장점도 있다.멀티코어 프로세서는 서버를 타깃으로 개발되어 점차 PC로 확대되고 있으며, 차세대 비디오 게임기에도 사용될 예정으로 앞으로 시장의 급속한 팽창이 예상된다.시장조사기관인 아이서플라이는 멀티코어 프로세서 시장규모가 올해 1,478만 개(25억 7,300만 달러)에서 내년 9,771만 개(132억 2,000만 달러)로 물량은 6.6배, 매출로는 4.1배로 성장하고, 이후 2015년 6억 3,805만개(648억 4,000만 달러)까지 연평균 물량으로는 23.2%. 매출로는 19.33%의 고성장을 이어갈 것으로 내다봤다.많은 실리콘 업체들은 차세대 마이크로프로세서의 대세로 멀티코어를 예상하고 있으며 NEC, NVIDIA, 르네사스 등도 ARM과의 멀티코어 프로세서 협력을 통한 고성능 고효율의 제품 출시를 위해 긴밀한 협조관계를 맺고 있다.멀티코어 신호탄, ARM의 MPCoreARM의 멀티코어 프로세서인 MPCore는 2004년 5월 미국 새너제이에서 개최된 임베디드 프로세서 포럼에서 발표됐다. MPCore의 경우 기존에 널리 보급된 ARMv6 구조를 기반으로 하고 있어 구조적인 유연성을 갖추고 있다.한 칩에 프로세서를 1~4개까지 포함할 수 있어 공간 효율적인 구성을 지원하며 최고 2,600DMIPS의 성능을 보여준다. 그밖에도 어댑티브 셧다운(Adaptive Shut-down) 기술과 ARM 인텔리전트 에너지 매니저(ARM Intelligent Energy Manager) 기술 구현으로 전력소비량을 최고 85%까지 절감해준다고 ARM은 밝혔다.이 같은 멀티프로세서 솔루션은 인터넷에서 홈 무비를 공유하고 여러 TV 채널을 녹화할 수 있는 셋톱박스와 동시 백시트 비디오 게임을 제공하는 차내 내비게이션 시스템, 그리고 고성능을 필요로 하는 애플리케이션에 유용하다.이듬해인 2005년 7월 ARM은 1.2GHz의 ARM11 프로세서 제품군과 동급의 성능을 기록하며 600mW 가량의 전력소비량으로 최고 1440DMIPS의 성능을 내는 합성 프로세서 ARM11 MPCore의 첫 번째 테스트 칩을 발표했다.이 테스트 칩은 성능과 전력소비량을 최적화하지 않은 일반 130nm 프로세스 기술을 기반으로 했으며 기존 비멀티 프로세싱 시스템 기술을 이용한 애플리케이션들과의 확장성을 유지하면서도 높은 성능을 구현했다.ARM11 MPCore 테스트 칩은 리눅스 SMP OS 포트 및 애플리케이션을 폭넓게 지원하며, 전력소비 절감과 프로세서간 애플리케이션 로드 자동 밸런싱 기능을 가장 큰 특징으로 하고 있다. 이 칩은 SMP(대칭형 멀티 프로세싱: Symmetric Multi-Processing)을 기반으로 하는 차세대 멀티코어 프로세서 개발을 위해 ARM과 NEC 간의 협력 관계를 통해 이뤄낸 결과물이다.이 프로세서는 멀티코어의 채용으로 H.264/MPEG-4 AVC(이하 H.264)의 부호화를 소프트웨어로 처리하면서 통상의 통화 처리와 Java 애플리케이션을 동시에 실행할 수 있다.MP211은 통화 처리, Java 애플리케이션, H.264의 부호화/복호화 처리에 의한 MPEG 스트림의 다중/분리 처리를 각각 다른 CPU 코어에서 실행한다. 각 CPU 코어에서는 각각 독립된 Linux를 동작시키며, 단일 OS에 의한 각 CPU 코어에서 부하 분산은 수행하고 있지 않다. CPU 코어 사이의 연계는 각 OS 상에서 동작하는 소프트웨어를 통해 수행한다.멀티코어, ‘대칭형 멀티 프로세싱’ 목표멀티코어의 최종적인 목표는 이용 효율을 높이기 쉬운 대칭형 멀티프로세싱(SMP)에 대응 가능하도록 하는 것이다.멀티코어의 경우 일반적으로 SMP 애플리케이션에 제한된다고 알고 있지만, 90nm 공정 세대에서 개발한 MPcore의 OS는 각 CPU 코어에서 독립된 리눅스 환경을 채용하고 있다. 이는 소프트웨어의 개발이 복잡해지거나, 동작 검증에 많은 수고가 들어가는 것을 피하기 위해서이다. 그러나 멀티코어 제품이 65nm 공정 세대로 이행했을 때 복수의 CPU 코어로 하나의 리눅스를 동작시키는 SMP로 이행할 예정이다.멀티코어가 SMP를 지원할 경우 소프트웨어 개발자가 일일이 작업을 CPU에 지정해줘야 하는 수고를 덜어주며 소프트웨어 개발 및 멀티 애플리케이션 디자인을 단순화시켜준다. 특히 SoC 디자인의 복잡성을 줄여줘 타임투마켓에 빠르게 대응할 수 있다.그동안 임베디드 시스템 디자이너는 더 높은 시스템 성능의 실현과 동시에 소비전력을 줄일 수 있는 대안을 기다려 왔다. 그만큼 성능과 전력문제는 오늘날 많은 임베디드 시스템에 있어서 핵심 현안이자 선택의 문제다.효율적인 프로세서의 고성능화 해법으로 멀티코어는 오늘날 주목받고 있으며 이제 시험대에 올라갔다. 멀티코어 프로세서의 등장에 대해 PC 사용자들이 환호하는 만큼 임베디드 시스템 디자이너도 열광적인 반응을 보일 지 지켜볼 일이다.Interview ARM 코리아 홍강유 과장“멀티코어, 하드웨어 가속기보다 높은 성능과호환성이 장점”“ARM11은 우리가 가진 포트폴리오 중 가장 최신의 코어다. 400MHz까지 최대 클록을 높일 수 있는 ARM11의 코어를 기반으로 한 MPCore는 300MHz에서 대략 인텔의 셀러론 1.6GHz와 동급의 성능을 실현했다”멀티코어의 의미는 동일한 CPU 코어만을 범주로 하지 않기 때문에 ARM 코어와 DSP가 한 칩에 들어가 있는 칩을 고려한다면, 임베디드 시스템용 프로세서에 많이 채용되고 있다. ARM11 코어를 1~4개까지 사용할 수 있는 ARM MPcore의 경우 지난 해 여름 테스트 칩을 발표했으며 개발 보드와 환경이 갖춰져 있다. MPCore를 이용한 애플리케이션도 빠르면 올해 말경 시장에 출시될 수 있을 것으로 알려졌다.MPCore, 셀러론 1.6GHz와 ‘막상막하’임베디드 시스템에서 1GHz 이상의 고속 프로세서를 사용할 경우 부가적으로 컴포넌트 가격도 따라서 상승한다. 메모리 클록 역시 프로세서의 속도에 보조를 맞추기 위해 높아진다. ARM 코리아의 홍강유 과장은 “ARM11은 우리가 가진 포트폴리오 중 가장 최신의 코어다. 400MHz까지 최대 클록을 높일 수 있는 ARM11의 코어를 기반으로 한 MPCore는 300MHz에서 대략 인텔의 셀러론 1.6GHz와 동급의 성능을 실현했다”고 설명했다.멀티코어를 사용할 경우 이 같은 부가적인 비용 상승을 절약할 수 있는 반면에 시스템 성능은 높게 가져갈 수 있다. 또한 전용 하드웨어 가속기를 사용하는 것보다 호환성에서 유리하다. 반면 코어 라이선스 비용은 같아서 4개의 ARM11 코어를 사용하더라도 1개를 사용하는 것과 다를 바 없다. 다만 컴포넌트 비용이 추가될 뿐이다.그러나 성능을 이끌어 낼 OS의 확실한 지원이 있어야 멀티코어 프로세서는 확실한 제 성능을 끌어낼 수 있다. 현재까지는 리눅스만이 MPCore를 지원하고 있지만 올해 말이나 내년 초정도면 윈도우CE도 지원할 것이다. VxWorks 역시 비슷한 시기에 지원 가능해지고 다른 OS 개발업체들도 지원을 강화할 예정이다.MPCore, Cortex까지 확대홍과장은 ARM의 향후 멀티코어 프로세서의 로드맵에 대해 “당분간 임베디드 분야에서 1GHz 이상의 높은 클록을 필요로 하는 애플리케이션은 극히 드물 것으로 생각한다. MPCore의 경우 현재 ARM11을 사용했지만 차후에는 더 높은 성능의 코어텍스를 이용해 멀티코어도 고성능화될 예정”이라고 밝혔다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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