MIPS R2000 출시 30주년

원문 Imagination Technologies

저자 Alex Voica

번역 ComoCloud

 

 

 IBM이 세계 최초로 스마트폰을 출시하기 10년 전, 스탠포드 대학의 연구원과 실리콘밸리의 베테랑들이 모여 컴퓨팅 환경을 완전히 바꿀 마이크로프로세서 아키텍처를 설계했습니다. 그리고 1986년, 현재 스탠포드 대학의 총장인 존 L. 헤네시(John L. Hennessy)가 이끄는 MIPS Computer Systems Inc.가 새롭게 설립되었습니다.

 MIPS 명령어 셋 아키텍처(ISA)를 구현한 최초의 상용 마이크로프로세서 칩셋이자, 오늘날 널리 보급된 수익성 높은 라이선싱 비즈니스 모델을 통해 널리 판매된 첫 번째 RISC 프로세서인 MIPS R2000의 이야기입니다.

Risking it all on RISC

 헤네시는 실리콘밸리에서 구할 수 있는 최고의 인재들을 활용하여 궁극적인 RISC 프로세서를 만들기 위해 칩 디자이너, 소프트웨어 엔지니어, 컴퓨터 아키텍처 연구원으로 구성된 엄청난 팀을 구성했습니다. 다른 주요 창립자는 이전 모토로라 전문가였던 스킵 스트리터(Skip Stritter)와 IBM 출신의 존 무소리스(John Moussouris)였습니다.

 1984년 MIPS 아키텍처에 대한 최종 결정을 내린 후, 헤네시와 그의 팀은 공식적으로 이번 달에서 30년 전인, 1986년 1월에 R2000을 발표했습니다.

 

MIPS R2000의 레이아웃을 검사하는 존 헤네시 교수

MIPS R2000은 32-비트 MIPS 기반으로 디자인되었으며, 모토로라 68000과 인텔 80386 마이크로프로세서와 경쟁했습니다. 당시, MIPS R2000은 또한 당시 더 정착된 CISC CPU의 대안을 만드는 데 초점이 맞춰진 다른 프로젝트(버클리 RISC)와 치열한 경쟁에 직면해 있었습니다.

 시장에서 빠른 길을 찾고 경쟁자보다 우위를 점하기 위해 MIPS 팀은 밖으로 나갔습니다. MIPS 칩을 제조하는 (일반적으로 팹 혹은 파운드리라고 부르는) 반도체 제조 공장을 설립하는 것은 엄청나게 비싸 불가능에 가까웠습니다.

 첫 번째 설계의 생산을 확실하기 위해 관리팀은 팹리드 제조 모델을 채택하기로 결정했습니다. 이 전략은 파운드리로써 접근 가능한 대형 반도체 공급 업체에 MIPS CPU를 라이선싱하는 것을 암시했습니다. 그리고 그 전략은 수십 년 동안 (Imagination Technologies를 포함한) 다른 실리콘 IP 디자이너들의 표준이 되었습니다.

 MIPS R2000 CPU의 초기 라이선스에는 Intergrated Device Technology(IDT), LSI Logic, Performance SEmiconductor, DEC가 포함되어 있습니다. 첫 계약 이후, 벤더는 개발 목적의 레퍼런스 서버와 워크스테이션의 구축을 위해 초기 샘플의 일부를 구매했지만 직접적인 소비자들의 기기에 무료로 공급했습니다.

Analyzing the architecture of the MIPS R2000

 MIPS R2000는 최고 15MHz를 달성했으며, 80mm^2의 실리콘 면적을 가지고 있습니다. 이 프로세서는 2.0μm double-metal CMOS 공정 노드를 사용한 110,000개의 트랜지스터를 배치했습니다. 현대 수준으로 바꿔보자면 2015년에 28nm 공정으로 생산된 MIPS 기반 CPU로, 최대 2.5GHz로 작동하는 24~48개의 고 주파수 수퍼스칼라 코어, 크고 높은 연관 L1/L2 캐시, 그리고 엄청난 DRAM 대역폭을 가지고 있는 정도입니다. 쉽게 말해서 믿을 수 없을 만큼의 주파수 속도 증가와 반도체 제조 공정의 괄목할 만한 축소를 보여주었습니다.

 

MIPS R2000 CPU의 다이 샷 (via CPUShack)

 R2000 마이크로프로세서는 big-endian과 little-endian 모드중 하나로 실행되도록 구성할 수 있습니다. DECstation 워크스테이션의 경우, VAX ISA와 인기가 증가중인 Intel 기반 PC와의 호환성을 유지하기 위해 little-endian을 실행하도록 결정되었습니다. 모토로라와 IBM을 비롯한 당시의 다른 기업들은 big-endian 포맷을 지지했으므로 두 가지 유형의 endian을 지원하는 것은 보다 많은 고객을 확보하려는 전략적인 접근이었습니다.

 R2000 칩의 주요한 신기능중 하나는 캐시 미스가 없는 빠른 실행 시간이었습니다. 명령어 당 여러 사이클이 필요했던 비 RISC 마이크로프로세서 시대와는 다르게 ALU 사이클 당 한 명렁어라는 인상적인 명렁어 완성 비율을 제공했습니다.

 아래 블록 다이어그램은 다른 RISC 프로세서의 기준이 될 5 스테이지 파이프라인 설계를 보여줍니다.

 

MIPS RISC CPU의 5 스테이지 파이프라인 설계

  MIPS 아키텍처는 워크스테이션과 서버 제조사들에게 인기가 높았기 때문에 좋은 부동 소수점 성능을 가지는 것이 절대적인 요구사항이었습니다. 그러한 연산 성능의 향상에 대한 필요성 때문에 엔디니어링 팀은 1987년 중반 R2010이라는 외부 부동 소수점 유닛을 설계했습니다. 게다가 4 스테이지 R2020의 쓰기 버퍼는 R2000 CPU가 연속 기입 데이터 캐시에 지연 없이 쓰기를 허용하여 성능을 향상시켰습니다.

See MIPS run

 MIPS 아키텍처의 급속한 채택에 크게 기여한 요소들 중 하나는 바로 소프트웨어의 최적화를 하는 컴파일러 팀의 작업 때문이었습니다. 1986년 말까지 진짜 MIPS 기반 기기를 만져볼 기회가 없던 엔지니어들은 MIPS 명령어를 VAX 코드로 번역해 빠른 시뮬레이터를 구축했습니다. 또한 이 시뮬레이터는 MIPS 아키텍처에서 UNIX 소프트웨어 바이너리를 실행하는데 사용되었습니다.

 현재는 Imperas의 QuantumLeap나 오픈 소스인 QEMU 시뮬레이터 등 소프트웨어 개발자가 사용할 수 있는 많은 MIPS 시뮬레이터가 있습니다. 도전적인 우리의 독자들을 위해 우리는 James Larus의 오리지날 SPIM 시뮬레이터 기반으로 Mianzhi Wang가 JavaScript snippet을 내장하였습니다.

 이 비주얼 시뮬레이터에는 완전한 CPU 파이프라인, 범용 레지스터 및 메모리 맵이 포함하고 있어 MIPS R2000 프로세서에서 실시간으로 어셈블리 코드를 빠르게 작성하고 실행할 수 있습니다.

Where is MIPS now and the road ahead

 1988년, MIPS Computer Systems는 전체적으로 비슷한 시스템 설계지만 메모리 관리와 캐시 설비를 추가하여 더욱 빠른 속도를 제공하는 R3000 프로세서를 출시했습니다. MIPS R3000은 SGI, DEC, Evans & Sutherland, 오리지널 소니 PlayStation 게임 콘솔까지 많은 워크스테이션과 서버에 사용될 정도로 인기있는 CPU였습니다.

 지금 MIPS R3000 CPU는 2015년 9월에 NASA의 New Horizons 호의 명왕성 비행을 완수 후 Kuiper belt로 향하고 있습니다.

 수년 동안 MIPS 아키텍처는 MIPS II, MIPS III, MIPS IV, MIPS V ISA 순서로 계속 개발되었습니다. 현재 가장 작은 마이크로컨트롤러로 사용되는 두 가지 주요한 ISA(MIPS32와 MIPS64)가 있는데, 이는 임베디드 응용 프로그램에서 하이엔드 네트워킹 기기나 반자동 자동차에서 사용되는 다코어 고성능 CPU로 사용됩니다.

 

 다음은 오늘도 움직이는 MIPS CPU를 찾을 수 있는 곳입니다 : 

• Tesla Model S 자동차는 슈퍼 컴퓨터 칩을 사용하여 자율주행 기능을 구현합니다.

• 전 세계적으로 수백만 개의 라우터와 홈 허브에는 kanos (최근 Qualcomm에 피인수), Lantiq (Intel), MediaTek 이나 Qualcomm Atheros의 MIPS 기반 Wi-Fi 프로세서가 탑재됩니다.

• Qualcomm Atheros or MediaTek Wi-Fi 칩 기반으로 구동되는 LIFX, Belkin, Ubiquiti Networks의 스마트 홈 기기

• 중국의 PC와 서버에 내장된 64-비트 MIPS CPU

• Altair Semiconductor 나 Sequans Communications의 LTE 모뎀을 사용하는 크롬북, 태블릿, 모바일 핫스팟, IoT 기기 그리고 다른 포타블 기기들

• 에너지 효율적인 Ingenic 칩을 사용하는 저렴한 스마트 와치와 기타 웨어러블 디바이스들

• Broadcom 프로세서가 탑재된 미디어 플레이어와 디지탈 TV용 셋톱박스

• 제조사 친화적인 개발 보드 : Digilent ChipKIT, WiFIRE (Microchip PIC32), Samsung ARTIK 1, Creator 제품군, 그외 많은 크라우드 펀딩 IoT 및 임베디드 리눅스 킷

• Cavium나 Broadcom의 데이터 센터 및 무선 인프라를 위한 엔터프라이즈 네트워크 장비

 

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