(배경) RISC-V CPU 기술

RISC-V는 2010년부터 미국의 UC 버클리에서 개발이 시작된 RISC (축소 명령어 집합 컴퓨터) 기반의 개방형 명령어 집합 (ISA- Instruction Set Architecture)으로 컴퓨터 프로세서 디자인을 위한 기본적인 구조를 제공하는 표준 아키텍처입니다. V는 로마 숫자 5를 나타냅니다. 따라서 RISC-V는 '리스크 파이브'라고 읽습니다. 이전 유사한 RISC 코어 계열 CPU는 아래와 같습니다.

• 1983년 ARM (Advanced RISC Machine, 최초 명칭: Acorn RISC Machine) : 컴퓨터과학자 윌슨(Wilson)과 스티브 퍼버(Steve Furber)를 주축으로 개발이 시작되었습니다. 1990년 11월에 애플과 VLSI이 조인트 벤처를 설립하여 ARM(Advanced RISC Machines Ltd.)이 회사로 면모를 갖추게 됩니다.
• 1984년 MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) : 스탠포드 대학의 MIPS 프로젝트에서 개발이 시작 되었습니다. 이 프로젝트는 방위 고등 연구 계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)의 지원으로 시작되었으 이후 MIPS 테크놀러지스 사에서 라이선스를 받아 상용화되었습니다. 초기 MIPS 아키텍처는 32비트를 사용하였고 이들은 32비트 레지스터와 데이터 경로를 가지고 있었습니다. 그 이후의 MIPS 프로세서들은 64비트 구현을 사용하였습니다. 5종류의 하위 호환성 MIPS 동작 세트가 존재하며, 이들은 각각 MIPS I, MIPS II, MIPS III, MIPS IV, MIPS 32/64라고 불리고 있습니다. 
• 1985년 SPARC (Scalable Processor ARChitectur) : 썬 마이크로시스템즈가 개발한 빅 엔디안 RISC 마이크로프로세서입니다. SPARC 은 1989년 썬 마이크로시스템즈가 스팍의 확산을 위해 설립한 SPARC International, Inc.의 등록 상표이기도 합니다. SPARC International은 스팍 아키텍처를 공개하였으며, 텍사스 인스트루먼츠(TI), 사이프레스 세미컨덕터, 후지쯔 등 많은 칩 제조사에게 라이선스를 주었습니다. 스팍 아키텍처는 SPARC International이 VHDL로 작성한 LEON라는 소스를 공개하였으며, 누구도 소유하지 않는 LGPL을 따른 완전 공개된 아키텍처가 되었습니다. 
• 1991년 PowerPC (Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing) : 애플, IBM, 모토로라 등이 제휴한 AIM 연합에서 발표한 RISC 방식의 명령 집합 아키텍처이다. 2006년에 Power ISA로 이름을 바꾸었으나 그 이후에도 파워PC는 파워 아키텍처 기반의 몇몇 프로세서를 통칭하는 명칭으로 사용되고 있습다.

현재는 ARM 아키텍처와 같이 스마트폰이나 임베디드 장치의 CPU로 사용되며, 오픈소스 진영의 아키텍처로서 큰 각광을 받고 있습니다. 대부분의 ISA와 달리 RISC-V ISA는 누구든지 RISC-V 칩과 소프트웨어를 설계, 제조, 판매할 수 있게 허가되어 있으며, BSD 라이선스를 통해 무료로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

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LGPL(Lesser General Public License)

자유 소프트웨어 재단에서 만든 오픈 소스 소프트웨어 라이선스 중 하나로, GPL(General Public License)보다 완화된 조건을 가지고 있습니다. LGPL은 소프트웨어의 소스 코드를 공개하지 않아도 되며, 라이브러리 형태로 사용하는 경우에는 해당 라이브러리를 사용하는 프로그램의 소스 코드를 공개하지 않아도 됩니다. 다만, 라이브러리를 수정한 경우에는 수정된 소스 코드를 공개해야 하며, 이를 재배포할 때는 LGPL 라이선스를 유지해야 합니다. GPL과 마찬가지로, LGPL 역시 카피레프트를 적용한 라이선스입니다.

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BSD (Berkeley Software Distribution)

버클리 캘리포니아 대학교(Berkeley California University)에서 개발한 소프트웨어 라이선스입니다. 이 라이선스는 소프트웨어의 사용, 수정, 배포에 대한 제한이 거의 없는 유연성을 제공하며, 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 사용, 배포, 수정 허용
• 상업적 이용 가능
• 출처 표시 필요
• 특허 사용 권한 부여되지 않음
• 공유의 의무(Copyleft) 없음

주로 2-Clause BSD 라이선스와 3-Clause BSD 라이선스로 구분되며, 3-Clause BSD 라이선스는 '비상업적 이용 금지 조항'이 추가된 것이 차이점입니다.

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RISC (Reduced Instruction Set Computer)

RISC(축소 명령어 집합 컴퓨터)는 1980년대에 IBM과 UC 버클리에서 개발된 컴퓨터 아키텍처입니다. RISC는 CISC(Complex Instruction Set Computer)의 단점을 보완하기 위해 개발되었습니다. RISC는 명령어의 수를 줄이고, 명령어의 구조를 단순화하여 처리 속도를 높였습니다. 또한, 메모리 접근 횟수를 줄여 메모리 성능을 향상했습니다. 이러한 특징으로 인해 RISC는 CISC보다 전력 소모가 적고, 처리 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 대표적인 RISC 아키텍처로는 ARM, MIPS, Power 등이 있습니다. 이들 아키텍처는 현재까지도 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

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배경

2010년부터 미국의 UC 버클리에서 개발중인 무료 오픈 소스 RISC 명령어 셋 아키텍처입니다. UC 버클리의 컴퓨터과학과는 1980년대에도 이미 MIPS 컴퓨터 구조의 기반이 된 Berkeley RISC 컴퓨터 구조를 성공시킨 바 있는 유명한 컴퓨터과학자 데이비드 패터슨 교수도 프로젝트에 참여했습니다.

Krste Asanović 교수와 이윤섭, Andrew Waterman 대학원생들은 데이비든 패터슨 교수가 소장을 맡은 UC Berkeley 병렬 컴퓨팅 연구소 (Par Lab)에서 2010년 새로운 RISC CPU에 대한 연구를 진행하였고 지도 교수였던 Krste Asanović 그 결과물을 실제로 사용할 수 있게끔 개발 및 관련 내용의 출판을 시작하게됩니다. 

RISC-V 기반 시스템반도체 시제품. (사진=UC버클리)

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RISC-V와 ARM과의 차이

RISC-V와 ARM은 모두 RISC(축소 명령어 집합 컴퓨터) 아키텍처 기반의 명령어 집합(ISA)이지만, 몇 가지 기술적 특성에서 차이가 있습니다.

첫째, RISC-V는 개방형 ISA인 반면, ARM은 폐쇄형 ISA입니다. 즉, RISC-V는 누구나 자유롭게 RISC-V 칩과 소프트웨어를 설계, 제조, 판매할 수 있지만, ARM은 ARM의 라이선스를 받은 기업만 ARM 칩과 소프트웨어를 설계, 제조, 판매할 수 있습니다. ARM의 라이센싱 정책은 처음부터 폐쇄형은 아니었습니다. ARM은 1990년대 초반까지는 자사의 CPU 코어를 공개하고, 이를 기반으로 다른 기업들이 CPU를 설계할 수 있도록 허용했었습니다. 그러나 1990년대 중반 이후 ARM은 자사의 CPU 코어를 폐쇄적으로 운영하기 시작했습니다. 이후 ARM은 자사의 CPU 코어를 라이선스를 받은 기업에게만 제공하고 있으며, 이러한 라이센싱 정책은 현재까지도 유지되고 있습니다.

둘째, RISC-V는 다양한 비트 수를 지원합니다. 32비트, 64비트, 128비트 등 다양한 비트 수를 지원하며, 사용자의 요구에 따라 비트 수를 선택할 수 있습니다. 반면, ARM은 주로 32비트와 64비트를 지원합니다. RISC-V는 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 다양한 칩이 출시되고 있습니다. 그중에서도 대표적인 칩은 다음과 같습니다.

32비트

• SiFive HiFive1: 32비트 RISC-V SoC로, IoT 기기, 임베디드 시스템 등에 사용되고 있습니다.
• Arduino Nano RP2040: 32비트 RISC-V MCU로, 교육용, DIY용 등에 사용되고 있습니다.
• NXP i.MX 8M Nano: 32비트 RISC-V SoC로, 자동차, 가전제품 등에 사용되고 있습니다.

64비트

• SiFive FU740: 64비트 RISC-V SoC로, 클라우드 컴퓨팅 서버, 데이터 센터 등에 사용되고 있습니다.
• NVIDIA Jetson Xavier NX: 64비트 RISC-V SoC로, 인공 지능, 자율주행 등에 사용되고 있습니다.
• Baidu Kunpeng 920: 64비트 RISC-V SoC로, 클라우드 컴퓨팅 서버, 데이터 센터 등에 사용되고 있습니다.

128비트

• SiFive FU741: 128비트 RISC-V SoC로, 아직 초기 단계에 있지만, 향후 다양한 분야에서 사용될 것으로 기대되고 있습니다.

셋째, RISC-V는 ARM보다 적은 명령어 수를 가지고 있습니다. 이로 인해 RISC-V는 ARM보다 칩 면적이 작고 소비 전력이 낮으며, 성능이 높을 수 있습니다.

명령어 집합	32비트	64비트
RISC-V	32	40
ARM	160	300

명령어 숫자가 적다는 것은 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

• 설계의 단순화: 명령어 숫자가 적으면 설계가 단순해져서 개발 비용과 시간을 절감할 수 있습니다.
• 성능 향상: 명령어 숫자가 적으면 프로세서가 더 빠르게 명령어를 처리할 수 있습니다.
• 효율성 향상: 명령어 숫자가 적으면 메모리 사용량이 감소하여 시스템의 효율성이 향상됩니다.

RISC-V는 명령어 숫자가 적기 때문에, 설계의 단순화, 성능 향상, 효율성 향상이라는 장점을 얻을 수 있습니다.

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관련 기사 (설립 8년만에 회원 160배…RISC-V, Arm 맹추격)

https://www.etnews.com/20230904000217

설립 8년만에 회원 160배…RISC-V, Arm 맹추격

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RISC-V의 표준화 

RISC-V 파운데이션

2015년 6월 2일 미국 샌프란시스코에서 설립된 RISC-V의 비영리 커뮤티티로 운영 되었었습니다. RISC-V 파운데이션은 전 세계의 기업, 대학, 연구기관, 개인 등 다양한 주체들이 참여하고 있으며 다음과 같은 활동을 수행했습니다.

• RISC-V 명령어 집합의 개발
• RISC-V 명령어 집합의 표준화
• RISC-V 교육 및 홍보

RISC-V 인터내셔널

RISC-V 파운데이션을 뒤를 이어 2020년에 RISC-V 인터내셔널(RISC-V International)이 설립되었고 RISC-V CPU의 표준화와 기술 홍보를 이어가고 있습니다. RISC-V 파운데이션이 미국에서 활동을 했다면 좀 더 정치적으로 중립적인 위치인 스위스에 법인의 형태로 설립되었습니다. 

현재 70여개국에서 3,800 이상의 멤버가 가입 및 활동중입니다. 멤버십은 아래와 같이 총 3개의 종류가 있습니다. 

• Premier Member
  • BoD 멥버 자격이 부여되며 기술 스티어링 커뮤니티 참여 자격 부여
• Strategic Member
  • RISC-V 사용 및 기술적 발전을 위한 의견 제시가 가능하며 회사 규모에 따라 차등 회비 부여
• Community Member
  • 학술적 목적의 학교 또는 개인이 가입 가능하며 별도의 년회비는 없음

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RISC-V 업체 적용이력 

2019년 중국의 알리바바는 Xuantie 910를 발표했습니다. 성능 측면에서는 ARM의 Cortex-A73와 성능과 비슷한 것으로 예상됩니다. 미국 아마존 클라우드 서비스의 서버용 ARM 칩인 Graviton처럼 알리바바의 클라우드 서비스에 적용될 것으로 보이고 ARM의 서버용 Neoverse 제품군이 추가적인 무역 제재로 수출이 불가능해 지면서 더욱 가속화 될 예정으로 보입니다. 최근까지도 중국은 탈 서방화의 핵심으로 반도체 IP의 내재화에 힘쓰고 있으며 그 주요한 축으로 RISC-V 개발 및 표준화에 힘쓰고 있습니다.

https://quasarzone.com/bbs/qn_hardware/views/829500

안드로이드 10이 RISC-V 보드에 포팅되었습니다.

2021년 1월에 안드로이드 10이 RISC-V를 적용하는데에 성공했다는 기사가 나왔습니다. 그리고 2023년 구글은 RISC-V 지원을 공식화함에 따라서 안드로이드 11부터는 RISC-V를 본격적으로 적용할 것으로 예상됩니다. 

https://arstechnica.com/gadgets/2023/01/google-announces-official-android-support-for-risc-v/

Google announces official Android support for RISC-V

2021년 6월에는 인텔이 RISC-V IP를 개발하는 데 가장 앞서고 있는 SiFive 라는 회사를 20억 달러에 인수를 추진 중이라는 소식이 나왔으나 무산되었습니다. 다만 SiFive는 인텔에게서 인텔 파운드리 서비스 혁신 기금(Intel Foundary Services Innovation Fund)의 투자금을 받아 자신들의 SoC를 인텔 4 공정에서 생산하기로 계약을 맺었습니다.

https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=26633 

[더구루] 인텔, 美 팹리스 스타트업 '사이파이브' 인수 불발

2021년 9월 2일, Apple도 RISC-V 개발자를 모집하고 있습니다. 코어 하나당 ARM에게 지불해야 하는 라이선스 비용을 줄일 수 있다고. 다만, 기사에서 보듯이 주된 작업은 머신러닝, 컴퓨터 비전, 비디오 처리 등의 일을 하게 되는 것으로 보아 CPU, GPU를 Arm으로부터 대체한다기보단 NPU 쪽 설계 작업일 가능성이 매우 높아 보입니다.

https://www.macrumors.com/2021/09/03/apple-alternative-arm-architecture/

Apple Possibly Exploring Open-Source Alternative to Arm Architecture

2022년 11월 SiFive의 P670과 ARM의 Cortex-A78의 성능 비교표가 나왔습니다. 성능은 ARM보다 5% 낮지만 면적은 50% 적게 차지하고, 집적도는 2배라고 발표했습니다. 그런데 비교 대상인 Cortex-A78은 2020년도 5월에 발표되 코어 이므로 상당한 기술적 격차가 존재하는 것으로 예상됩니다. 

https://www.clien.net/service/board/news/17680428

SiFive, 새로운 RISC-V 코어 P670/P470 발표 : 클리앙

2022년 12월, 퀄컴은 RISC-V 서밋 2022에서의 발표를 통해 RISC-V 코어의 출하로 시장 생태계를 조성하고 있다고 발표하였습니다. 퀄컴은 2019년부터 자사 SoC인 스냅드래곤 865에 처음으로 RISC-V 마이크로 컨트롤러를 탑재하기 시작했고, 현재까지 모바일, 자동차, XR, IoT 등에 약 6억 5천만 개의 RISC-V 코어를 출하했다고 밝혔습니다.

https://www.theregister.com/2022/12/15/qualcomm_talks_up_riscv_roasts/

Qualcomm talks up RISC-V, roasts 'legacy architecture'

2023년 5월 31일, 짐 켈러가 이끄는 RISC-V 기반 AI 반도체 업체 텐스토렌트와 LG전자가 협력을 발표했습니다. 이 협력을 통해 LG전자는 텐스토렌트로부터 차량용과 프리미엄 TV에 쓰이는 AI 및 RISC-V CPU 기술을 이관 받을 것으로 예상됩니다. 반대 급부로 텐스토렌트는 LG전자로부터 데이터센터에서 쓰는 비디오 코덱 기술을 받는다.

https://it.donga.com/104149/

짐 켈러의 텐스토렌트, RISC-V로 AI 반도체 통일할까?

2023년 8월 4일, Robert Bosch GmbH, Infineon Technologies AG, Nordic Semiconductor, NXP 반도체 그리고 Qualcomm이 협력투자해서 RISC-V를 적용한 차세대 하드웨어 개발에 대한 계획을 발표하였습니다. 

https://zdnet.co.kr/view/?no=20230807140422 

퀄컴·NXP 등 'RISC-V' 합작사 설립...脫 Arm 시동