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2013.06.17 14:05

ARM(CPU)

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목차

1 개요
2 역사
2.1 성능에 대한 오해
3 특징
4 용도
5 개발
6 대표적인 라이선스 제조사
6.1 대표적인 모델
7 GPU


 

1 개요

영국 Advanced RISC Machine(ARM)사에서 설계하는 CPU 아키텍처 시리즈.

PDA스마트폰, MP3 플레이어 등 모바일 장치 및 산업용 임베디드 시스템에 사용한다.

2 역사

ARM사는 뉴턴 메시지 패드에 들어갈 적절한 성능에 적절한 전력을 소모하는 마이크로프로세서를 개발하기 위해 애플과 Acorn, VLSI Technology와의 조인트 벤처로서 설립되었다.

2010년 기준으로 주로 사용되는 ARM CPU들은 예전의 200MHz급 StrongARM(ARMv4기반)이나 500Mhz급 ARM9(ARMv5기반) 시리즈에 비해 훨씬 성능이 향상된 ARM11(ARMv6기반) 규격이나 Cortex-A, Cortex-R(ARMv7기반) 규격을 따르고 있으며, 동작클럭도 1GHz까지 향상되어 훨씬 뛰어난 성능을 가지고 있다.

Cortex-A9 CPU 부터는 비순차적 명령어 처리를 지원한다.[1]

현재 Cortex-A15의 다음 세대인 ARMv8[2] 기반 Cortex-A53(!!)과 Cortex-A57을 개발 중이다. A53은 A9와 비슷한 성능을 가지지만 공정은 더 작은 Little 부문의 아키텍쳐고 A57은 크고 아름다운 성능이 좋은 Big 부문의 아키텍쳐라고 한다. 자세한 사항은 이 쪽을 참고바람.

주요 모바일 기기에 사용된 ARM 아키텍쳐의 대략적인 성능은 다음과 같다.

주요 모바일 기기의 ARM 아키텍쳐
아키텍쳐 버젼 명칭 성능 주요 기기/AP
ARMv6 ARM11 1.25DMIPS/MHz 옵티머스 원
ARMv7-A Cortex-A5 1.57DMIPS/MHz 갤럭시 M 스타일
ARMv7-A Cortex-A7 1.9DMIPS/MHz 갤럭시 S 4의 리틀코어
ARMv7-A Cortex-A8 2.0DMIPS/MHz OMAP 3, 엑시노스 3(허밍버드
ARMv7-A Scorpion 1.9/2.1DMIPS/MHz 퀄컴 스냅드래곤 S1/S2~S3
ARMv7-A Cortex-A9 2.5DMIPS/MHz nVIDIA Tegra 2/3, 엑시노스 4, 애플 A5
ARMv7-A Cortex-A9-R4 ? nVIDIA Tegra 4i
ARMv7-A Cortex-A12 2.5DMIPS/MHz
ARMv7-A Krait 3.3DMIPS/MHz 퀄컴 스냅드래곤 S4
ARMv7-A Swift 3.5DMIPS/MHz 애플 A6
ARMv7-A Cortex-A15 3.5~4.01DMIPS/MHz nVIDIA Tegra 4, 엑시노스 5
ARMv8-A Cortex-A53 2.3DMIPS/MHz
ARMv8-A Cortex-A57 4.1~4.76(추정)DMIPS/MHz

한가지 덧 붙이자면 Cortex-A5와 Cortex-A7는 성능보다는 저전력에 중점을 둔 모델로 성능은 Cortex-A8를 약간 상위하고 A9보다는 떨어진다. Cortex-A5는 현재의 스마트폰 업계가 워낙 성능 위주로 가서인지 소수의 저가형 기기에만 쓰이는 등 시장에서 외면받은 상태. 하지만 퀄컴의 MSM 시리즈 중 MSM72xxa라는 공정 및 아키택쳐 개선용 시리즈에 A5가 사용되며 신 S4 라인업 중에서도 S4 play가 1.2G의 A5코어를 쓴다. 그리고 한국업체인 텔레칩스에서 A5듀얼코어의 신제품을 내놓았다. [3]
Cortex-A7 은 현재 중국제 태블릿 컴퓨터 일부에 사용되고 있다.

2.1 성능에 대한 오해

ARM의 경우 성능에 대한 평가는 주로 DMIPS/MHz 로 표기되어 있는데, 이는 Dhryone 명렁이 해당 단위당 몇 개 처리되느냐를 의미한다.
같은 명령어를 사용하는 CPU 사이에서만 비교가 가능한 지표이지 절대로 다른 기반의 CPU와(EX> X86 vs ARM vs MIPS 등...) 1:1로 매칭이 가능한 지표가 아니다.(대학생 과수석과, 중학생 학년수석을 1:1로 비교할 수 있는가?)
예로 거의 같은 DIMPS를 가지는 ARM Cortex A9(2.5Dmips/MHz)과 X86 아톰 N270(2.4DMIPS/MHz) 을 비교시, 각각 1.6Ghz 에서, 전자는 약 60~80MFLOPS, 아톰은 약 150~200MFLOPS가 나온다.(FLOPS 또한 절대적 성능지표는 아니다. 부동소수점 연산량일 뿐이다.)
Dhrystone의 원래 개발자도 "요즘(1999년 당시를 말한다.) 컴퓨터의 성능을 평가하기에는 유용하지 않다"라고 EDN Magazine에서 언급한적이 있을 정도니 시대에 뒤떨어져도 한참 뒤떨어진 구닥다리 성능지표인 셈.

3 특징

x86 계열의 CISC구조와 달리, Alpha, SPARC, PowerPC, CELL-Broadband Engine등에 사용된 RISC구조를 가지고 있다. 그리고 32비트로 돌아간다(16비트 호환에 대한 언급도 있다). 지원하는 운영체제는 Windows CE, iOS, 우분투, 페도라, 안드로이드 등 리눅스와 기타 유닉스 계열.[4] ARM5, ARM9 이런 식으로 마지막 자리에 따라 아키텍처가 변하지만 x86과 같이 가장 기초가 되는 라인은 별반 변하지 않았다고. 우리가 PC등에서 사용하는 x86계열과는 구조적으로 다르기 때문에 호환되지 않는다.

현재 많이 쓰이고 있는 것은 ARMv7이며, ARMv8부터는 64비트 명령어도 지원하게 된다. 대신 64비트 명령어 포맷도 써야 하기 때문에 ARM도 서서히 CISC화 되어갈 것으로 보인다.[5]

4 용도

PC 쪽에서는 좀 생소한 이름이지만, 적정한 성능에 낮은 전력소비로 핸드폰을 비롯한 임베디드 시스템 계열을 꽉 잡고 있는 제품이다. 거짓말 조금 보태서, 임베디드 계의 인텔이라 할 정도로 시장 지배율은 막강하다(아니, 인텔이 이 회사에서 라이선스를 받아 모바일 프로세서를 생산했었다).
소모 전력은 수백mW로, 인텔이 ARM에 대항해 만든 새공정의 Atom이 CPU만 3W를 먹는 것에 비하면 어마어마한 저 전력이다. 모바일 계열의 전력수급 사정이 나아지면 어떻게 될지 모르겠지만, 배터리라는 제한된 전력수급에 의존해야 되는 현실상 ARM은 CPU최강자 Intel을 모바일 계에선 데꿀멍을 시킬 수 있다. [6] [7]
다만 문제라면 정수연산자의 경우 ARM코어가 서서히 격차를 좁혀오는 중이지만, 부동소숫점 연산에서 ARM코어가 그야말로 인텔에 훅 가는 실정이라 과연 PC에나 사용할 수 있을지가 문제다. AMD도 불도저 코어에서 정수연산자로는 i시리즈와 견줄만 했으나 부동소숫점 연산 성능에서 훅가는 바람에 AMD FX 시리즈를 말아먹었다. 전체적 성능은 현재 펜티엄 4와 아웅다웅 하는 수준으로 펜티엄4가 사실상 10년이나 된 물건임을 생각하면 현재는 퇴역분위기인 코어2 듀오만 출동해도 ARM이 처발리고 있다.
2012년 현재에도 판매되는 거의 모든 스마트폰이 ARM에 기반을 둔 CPU를 사용하고 있다. 스마트폰을 포함하는 PDA 외에도 닌텐도 GBA, 닌텐도 DS에 탑재되였으며, 게임파크GP32 게임파크홀딩스의 GP2X에도 ARM이 탑재되었다. CANON 파워샷 시리즈에도 탑재되었다. 그 외 태블릿 컴퓨터아이패드, 갤럭시 탭에도 사용되고 있다. 요새 넷북에 진출하려는 시도가 인상적이다. 차세대 휴대용 게임기인 닌텐도 3DSPS VITA에서도 사용된다. 그야말로 모바일 종결자.

재밌는건, 일부 콘솔 게임기들의 처리장치로도 사용된 이력이 있다는 것이다. 3DO에 ARM60(12MHz)이 사용...

5 개발

보통 학생이나 연구용으로는 Cross-compiler를 이용하여 다루지만, 전문적으로 하는 경우는 이전에는 ADS, 현재는 RVDS라는 통합 개발 환경을 이용한다.

6 대표적인 라이선스 제조사

ARM은 팹리스 업체이므로 아키텍처 개발만 하며, 직접 제조는 거의 하지 않기 때문에, 이 아키텍처를 라이선스 생산하는 CPU의 아키텍처를 의미하는 말로 쓰인다.

그 외에 LG전자도 라이센스를 취득한 상태이다. 현재 LG전자퀄컴nVIDIA 등의 AP를 쓰고 있지만, 앞으로 삼성전자처럼 직접 AP를 출시할 계획이라고 한다.

6.1 대표적인 모델

모델명은 모두 라이센스 생산명이다.

MP3P용 탑재 ARM 모델은 이쪽에서 확인.

  • StrongARM
  • XScale 시리즈
  • 퀄컴 MSM 시리즈
  • 삼성전자 SCXXXXXX시리즈 : 삼성에서 제조한 SoC이다. HP사의 제품에 탑재 되었다. 멀티미디어 성능의 경우에는 클럭대비 성능이 훌륭하다고 알려져있다. 대체로 가격이 싼 편이라 보급형에 많이 들어간다. 국내 전자사전인 누리안 Z1도 이 SoC가 탑재되어있다.
  • Texas Instruments DaVinci 시리즈 : 원래는 캠코더디지털 카메라 등에서 비디오 인코딩&디코딩 기능과 함께 내장 프로세서 기능을 동시에 수행하기 위하여 개발된 칩셋으로, 코덱과 GPU 역할을 겸하는 DSP 부분과 ARM에 기반한 CPU부분이 통합된 듀얼코어 구조의 칩셋이다. 국내에는 맥시안의 일부 PMP에 탑재되어 잘 알려진 이 칩셋은, 멀티미디어 코덱을 칩셋 자체에 탑재한다는 개념을 처음 개발한 칩셋으로서, 동영상을 하드웨어 인코딩 및 디코딩이 가능하기 때문에 멀티미디어 재생에서 뛰어난 성능을 보여주었다. 하지만 SoC 내부에 탑재된 CPU코어의 성능은 떨어진다는 평이었다. 현재는 OMAP 시리즈로 이어지고 있다.
아래 모델들은 2013년 초반 기준 최신기종이며, 안드로이드아이폰이든 바다 폰이든 윈도폰이든 옴니아 시리즈를 제외한 각 회사의 대표 스마트폰에 사용 중이다.

  • 삼성전자 엑시노스 시리즈 : 아이폰 3GS에 탑재되었던 허밍버드로 시작하여, 후속 SoC로 출시된 엑시노스 4210에서부터 '엑시노스'라는 브랜드를 적용하기 시작했다. 이후 최고의 AP로 생각되었으나, 2012년 스냅드래곤의 부상으로 잠시 주춤하고 있다. 하지만 당연히 후속 SoC외계인 고문 기술이 속속 준비 중. 자세한 내용은 항목 참조.
  • 퀄컴 스냅드래곤 : 다수의 라인업이 레퍼런스가 아니라 커스텀이다. 성능으론 메이저 4대 AP중에서 최악으로 쳤지만(Cortex-A9출시 이후로), 통신 칩까지 원칩이 가능한 장점 때문에 많이 사용되었다. 그러나 2012년 Krait 코어를 내면서 듀얼코어 임에도 불구하고 Cortex-A9 기반 쿼드코어와 비슷한 성능을 보여주며 스냅드레기라는 인식을 깨부쉈다. 이후 차근차근 후속 제품을 준비하고 있다.
  • nVIDIA Tegra : NEON SIMD 유닛을 잘라내었기 때문에 동급 메이져 4대 AP중 가장 다이사이즈가 작다. 덕분에 동영상 H/W 가속 부분은 고자 급이 되었다.
    이를 대신하여 nVIDIA CUDA 코어를 대신 넣었기에 게임에선 다른 AP에 비해 막강함을 보이며 Tegra Zone에 등록된 어플의 특수효과를 타 AP에 비해 화려하게 볼수 있는 장점이 있다. 허나 CUDA 언어는 일단 ARM 계열에선 비표준 언어이며, 혹여 사용된다 할지라도 GPGPU기반의 슈퍼컴퓨터에서나 사용될 정도로 빈도가 낮다. Tegra 3 부터는 nVIDIA도 NEON SIMD 유닛을 추가했다. 커널지원이 매우 빈약하며, 소스공개에도 폐쇄적이기 때문에 여러모로 욕을 들었다.테구라 엔비디아 뽁유!![9] 이상은 Tegra 2 시절 이야기. Tegra 3 이후는 제법 좋아졌다. 자세한 내용은 항목 참조.
  • 프리스케일 IMX515
  • 텔레칩스 TCC88XX 시리즈 - 진저브레드 및 허니콤 지원을 위한 시리즈. Cortex-A8가 적용되었다. GPU는 Mali-200 (엑시노스에 들어가는 Mali-400의 2세대전 모델)
    Cortex-A5 MP2 코어도 출시되었다. 전력소모 면에서는 이점이 있을지 모르나, Cortex-A5의 성능은, Cortex-A9의 60%정도 밖에 안된다.
  • 애플 A6 - 아이폰/아이패드용. ARM에 라이센스를 받아 재설계한 최초의 모델(생산은 삼성전자) 스냅드래곤 S4가 아닌, CorTex A9 커스텀 계열로 보고 있다.요약기사 CNET기사(A6 제작과정) 아이폰 초기부터 ARM관련 회사를 인수하며 지속적으로 개발중이었다. 앞으로 삼성전자를 떠나서 TSMC같은 파운드리로 이전할 가능성이 높아짐. 이게 다 TSMC 때문이다 시즌 2?
  • ST-에릭슨 NovaThor(노바 토르) - 소니 모바일의 엑스페리아 P, 삼성전자의 갤럭시 에이스 2, 갤럭시 3 미니 등에 사용되었다. 주 모델은 NovaThor U8500 로 Cortex-A9 기반 듀얼코어. 차기 모델로 Cortex-A15 기반 듀얼코어도 예정중이나 2012년 12월 현재 AP사업철수 얘기가 나오고 있다. 사실상 사업철수는 확정적인 듯. NovaThor U8500을 채용한 스마트폰이 2012년에야 나왔으니 결국 시장에서 겨우 1년정도만 버틴 셈.
  • Texas Instruments OMAP 시리즈 : 성능으로는 최고라고 평가받는 TI의 칩셋이었으나... 현재는 TI가 모바일 부문에서 철수해 버린 지라 더이상 개발이나 생산이 되지 않는다. 이 칩셋을 사용한 대표적인 제품으로는 OMAP 3430의 모토로라 드로이드, OMAP 3440의 삼성전자갤럭시 A, OMAP 4430 옵티머스 3D 큐브, OMAP 4460의 갤럭시 넥서스등이 있다.
그 외 ARM코어를 탑재한 저가형 칩셋류

이러한 모델들은, 대부분 원가 절감을 위해서 GPS, 통신칩은 포함되지 않으며, 심지어 블루투스조차 빠지는 경우가 종종 있다.

  • 락칩 - 2011년에 나온 RK2918의 경우는 중국산 태블릿에 무더기로 깔리는중 인데 상당히 쓸만하다는 평을 받고 있다. (전체성능은 Exynos 3 Single(삼성 허밍버드-> Exynos 3110-> Exynos 3 Single)를 이기고 엑시노스 4 에게는 지는 수준이다.)2012년 중순인 현재는 새로나온 듀얼코어인 RK3066(성능은 엑시노스 4 듀얼 45nm급인데 발열을 아직 제대로 못잡아서 실사용을 할때는 주의해야할 수준이었다가 대략 2012년8월쯤부터 나오는 제품들은 발열을 잡은편이다.)을 지원하느라 정신이 없는지 RK2918의 지원이 거의 끊어지다시피한 수준이라는 단점이 있다.
  • allwinner A1x - 중국에서 락칩 RK2918과 경쟁하는 칩셋인데 서로 장단점이 있다는 평을 듣는다. 락칩 RK2918은 장점이 I/0성능이 좋은대신 그래픽부분이 살짝 약하고 동영상 코덱이 약간 부족한것(영상코덱은 어느정도되는데 사운드코덱이 AAC코덱지원이 잘안된다는평이 있다)이 단점이고 allwinner A10는 동영상쪽과 GPU (2160P지원이라고 광고한다. 그리고 GPU는 엑시노스에 달리는 Mali-400(엑시노스는 픽셀프로세서가 4개인 Mali-400 MP4이고 이쪽은 픽셀프로세서가 1개인 Mali-400이다.)는 좋지만 I/0가 좀 떨어진다는 평이 있다. 2012년 중순에는 대부분이 아이스크림 샌드위치로 업그레이드 되었으며 몇몇 제작사들에서는 벌써 젤리빈(안드로이드 4.1)을 테스트 해보는 등 사후지원이 RK2918보다 좋아진 편이다. 하지만 차기작(CorTex A7기반으로 듀얼,퀴드를 만들거라고 발표함) 출시가 늦어지고 있는 중이다. CorTex A7 기반 듀얼 코어는 A20, 쿼드 코어는 A31로 명명되어 2013년 출시되었다. 대표적인 모델은 Onda V972와 NOVO9 Spark 가 있다.
    A10과 A13이 있으며 둘간 차이는, HDMI, 2160p 가동 유무의 차이 밖에 없으며, 전체적으로 A13이 A10의 마이너 염가판 모델이다.
  • AMLogic - Allwinner와 RockChip 의 서로의 단점, 그래픽성능 + I/O 성능 을 서로 보완한 물건이다. 허나 다들 55nm 이하 공정으로 가는판에 홀로 65nm 공정인점에서 흠. 2012년기준, 8726-M6/MX는 CorTex A9 MP2 에 Mail-400 mp2 를 장착했으며, 젤리빈이 올라간 물건도 심심찮게 보인다.
    대략적인 성능은 RK 3066의 클럭다운 버젼이라고 보면 되는정도. GPU 코어수가 2배 차이가 나기는 하나, 상대적으로 높은 클럭으로 인해, 20%~30% 정도 밖에 차이나지 않는다.
    8726 ML, M3 같은 싱글코어는 PSP 짝퉁 게임기에 쓰인 이력도 있다.
  • VIA WonderMedia - WM8650 ARM 9과, WM8850 Cortex-A8? 9? 가 있다. 주로 아이패드 짝퉁 디자인, 감압식 패널에, 2USB Port, Eternet 단자가 있는 20핀 외장 OTG 젠더를 사용하는 것이 큰 특징이다.
    수많은 외장 포트(이더넷, HDMI, 일반 USB 까지 있는 경우도 있다.)를 가진 스마트북/넷북 모델로도 많이 출시되어 있다.
  • Nufront - AML과 유사하나 MALI MP 시리즈가 아닌 싱글이다.
  • Action - A9기반 ATM7029 MP4 GC1000 모델이 존재.

7 GPU


추가바람....
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[1] 최초의 비순차명령어 처리는 Cortex-A8 기반 커스텀의 퀄컴 스냅드래곤 부터 지원하였다.
[2] 64비트 지원(!) 및 확장된 가상 주소 방식 (Virtual addressing)를 지원한다고 한다.
[3] 허나 현재까지의 기술력으론 스마트폰의 주 전력소모는 LCD 이지, ARM Core가 아닌지라 CPU를 저전력화 해봤자 대기시간 말고는, 사용시간 연장을 체감할 수 없다. 물론 풀로드시에는 LCD백라이트 최대밝기의 배 이상으로 전력소모를 한다.
[4] 최근에는 win phone 8 ARM 도 정식지원을 한다.
[5] x86 계열도 이미 전통적인 CISC에서 벗어나 RISC의 특징을 구현하고 있다. 어떻게 보면 CISC와 RISC 사이의 경계가 모호해진 셈.
[6] 예를 들어, 애플의 A5에서 Cortex-A9 MP를 40nm 공정의 듀얼코어 1GHz로 만들면서, 실제 벤치마킹에서 인텔 Atom 1.6GHz (45nm 공정 N270)과 거의 비슷한 FLOPS, MIPS를 발휘했다. DMIPS 계산으로도 A9 MP 듀얼은 1GHz X 2core X 2.0으로, 2.4 DMIPS/MHz인 Atom의 1.6GHz X 1core X 2.4와 같은 수치로 예상할 수 있다. 그런데 애플 A5의 경우 SoC로 각종 컨트롤러와 GPU를 내장하고도 0.5W를 내는 것에 비해, Atom N270은 TDP만 2.5W이다. 어차피 OS나 플랫폼, 응용프로그램을 기존 영역에서 호환성에 급급할 필요 없이 어차피 새로 만들어야 하는 모바일 시장에서는 과감하게 x86을 버리고 ARM을 택할 수 있었다. 덕분에 비슷한 성능에 더 적은 소비전력과 발열로 모바일 장치를 작게 구성할 수 있게 된 것이다.
[7] 전력 대비 성능에서 장점을 찾을 수 있기 때문에 최근에는 전기료에 민감한 서버가 소켓을 여러 개 쓸 수 있다는 핸디캡을 살려서 CPU로 써보자는 움직임이 보이기 시작했다. 일단 절대성능에선 밀리지만 서버같이 저준위 처리가 필요한 명령의 부하가 크게 걸리는데선 저전력이기에 다수 코어를 병렬로 사용할 수 있으므로 분명 용도가 있다. 그래서 nVIDIA에서는 2013년을 목표로 서버/슈퍼컴퓨팅에 쓸수 있는 고클럭 ARM CPU를 개발 중에 있다.(nVIDIA project Denver) 다만 PC분야는 의문인게 소켓 하나로는 2014년 양산예정인 ARM Cortex A50시리즈도 겨우 6년 전 64bit CPU의 성능을 목표로 하는만큼 충분한 컴퓨팅 리소스가 없을거라고 보는게 중론이다.
[8] 현재는 Marvell에 팔아버리고 하지 않는다.
[9] 1분 45초 경 참고. 참고로 손가락을 날리신 분은 리눅스의 아버지 리누스 토르발스.



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