[CS] RISC / CISC 아키텍처 차이점

애플은 2020년 x86 아키텍처에서 ARM으로 전환했다. M1 맥북부터 ARM 아키텍처를 사용한다.

 

인터넷, 신문에서 수없이 들었던 말이다. 하지만 정작 왜 ARM 프로세서를 사용한 맥북이 더 빠른지, 왜 데스크톱 기기는 인텔/AMD을 사용하고 모바일 기기는 ARM을 사용하는지 등은 몰랐다. 그래서 오늘은 인텔과 ARM 아키텍처의 차이점에 대해서 알아본다(요즘은 노트북, 서버, 슈퍼 컴퓨터에서도 ARM을 사용한다).

 

어셈블리 언어

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💡 어셈블리 언어는 기계어의 한 단계 위 언어다. 특정 프로세서에 바인딩된 기본 명령 집합으로 예약어가 매우 적다. 어셈블리 언어 코드는 컴퓨터가 처리하기 전에 기계어(0과 1)로 변환해야 한다. 이 변환은 어셈블러를 통해 이뤄진다. 기계어와 어셈블리어 모두 Low Level 언어(컴퓨터에 가까운 언어)에 속한다.

 

간단한 C 코드 ▼

void add() {
    int a, b, c; 
    a = 2;
    b = 2;
    c = a + b;
}

 

• add 함수 안에서 a b c 라는 변수를 만들었다. a와 b의 값은 2고 c는 a와 b를 합한 값이다.
• CPU는 컴퓨터의 두뇌로써 모든 연산(계산)을 수행한다.
• 위 코드는 CPU에 의해 처리되어야 한다.
• 하지만 CPU는 위 코드를 이해하지 못한다.
• CPU는 0과 1만 이해할 수 있기 때문이다.
• 따라서 이 코드를 CPU와 가장 가까운 언어로 변환해야 한다(0과 1로 쉽게 바꿀 수 있는 언어).
• 이런 변환을 컴파일(Compilation; 编译)이라고 한다.
• 컴파일 과정을 통해 생성되는 중간 언어를 어셈블리(Assembly) 언어라고 부른다.

 

컴파일 후 어셈블리어는 대략 이런 모양이다 ▼

LOAD 0x001
PUT 2, 0x001
LOAD 0x002
PUT 2, 0x002
LOAD 0x003
PUT 0, 0x003
ADD 0x001, 0x002, 0x003

 

• 어셈블리 언어는 프로그램을 실행시키기 위한 모든 스텝들을 하나하나 설명하는 역할을 한다.
• (예시) 위 어셈블리어에서 사용한 명령어는 다음과 같다:
  • LOAD : 메모리 공간 예약
  • PUT : 해당 메모리 주소에 숫자 추가
  • ADD : 메모리 주소 내부에 값 추가
• 위 코드를 어셈블러(어셈블리어를 기계어로 바꿔주는 프로그램)에게 주면 프로세서가 이해할 수 있는 0과 1로 변환된다.

 

ISA

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• 하지만 위 C 코드는 인텔이나 ARM에선 실행할 수 없다.
• 프로세서마다 다른 ISA(Instruction Set Architecture; 指令系统体系结构)를 갖고 있기 때문이다.
• ISA는 프로세서가 실행할 수 있는, 지원하는 커맨드(명령) 집합을 뜻한다.
• Intel이나 ARM 프로세서에서 실행하려면 위 C 코드를 컴파일해서 해당 프로세서의 명령을 따르는 어셈블리 코드로 만들어야 한다.
• 인텔과 ARM의 어셈블리 코드는 mov와 add 같은 몇몇 명령어를 공유하지만, 대부분 매우 다르다.

 

인텔 프로세서를 위한 어셈블리 코드 ▼

push rbp 
mov rbp, rsp 
mov dword ptr [rbp - 4], 2 
mov dword ptr [rbp - 8], 2
mov eax, dword ptr [rbp - 4]
imul eax, dword ptr [rbp -8] -> 곱셈
add eax, dword ptr [rbp - 8]
mov dword ptr [rbp - 12], eax 
pop rbp 
ret

 

ARM 프로세서를 위한 어셈블리 코드 ▼

sub sp, sp, #16 
mov w8, #2 
str w8, [sp, #12] 
str w8, [sp, #8] 
ldr w8, [sp, #12] 
ldr w9, [sp, #8]
mul w8, w8, w9 -> 곱셈
str w8, [sp, #4]
add sp, sp, #16
ret

 

구조(아키텍처)

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• 인텔, AMD 같은 X86 패밀리는 CISC 구조를 사용하고, ARM 프로세서는 RISC 구조를 사용한다.
  • CISC는 Complex Instruction Set Computing(复杂指令集计算)의 약자
  • RISC는 Reduced Instruction Set Computing(精简指令集计算)의 약자
• 각 프로세서는 일정량의 명령(지시사항)을 이해하고 실행할 수 있다. 이러한 명령은 해당 칩의 디자이너에 따라 결정된다.
• CISC 프로세서는 이름 그대로(Complex...) RISC 보다 지시사항(Instruction)이 많다.
• 예를 들어 CISC 프로세서엔 세제곱(pot; Power of Three)이란 명령이 있을 수 있지만, RISC 프로세서엔 해당 명령이 있을 수 없다. 만약 숫자에 세제곱을 사용해야 한다면...
  • CISC는 이미 가지고 있는 pot 세제곱 명령어를 바로 사용할 수 있지만,
  • RISC는 mul (곱셈) 명령을 세 번 사용해야 한다.
• RISC 프로세서의 기본 개념은 프로세서가 많은 작업을 수행하면 안 된다는 것이다. 수많은 작업을 수행하는 대신, 기본적인 작업을 빠르게 수행하는 것이 중요하다.
• 반면 CISC는 복잡한 작업을 수행할 수 있지만 RISC와 비교하면 느리다.
• 예전엔 이처럼 RISC의 빠른 속도와, CISC의 복잡한 작업 사이의 타협이 필요했다.
• 지금은 컴파일러가 있기 때문에 이런 타협이 필요 없어졌다.

구분	RISC	CISC
명령어	적음(고정길이)	많음(가변길이)
레지스터수(기억장치)	많음	적음
처리속도	빠름	느림
전력소모	적음	많음
가격	낮음	높은
용도	서버, 워크스테이션	개인용 PC
프로그래밍	복잡	단순

 

과거와 오늘

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• 아주 예전엔 손으로 어셈블리 코드를 작성했다. 예전 개발자들도 코드를 더 적게 쓰고 싶어 했다. 때문에 당시엔 RISC에 없는 다양한 지시사항(명령)을 가지고 있는 CISC를 더 선호했다.
• 예전엔 RAM 메모리도 많지 않았다. 실행하려는 프로그램이 RAM 메모리에 복사되어야 프로세서로 프로그램을 실행할 수 있었다. 규모가 큰 프로그램을 실행하려면 더 많은 RAM 메모리가 필요했기 때문에 CISC를 선택하는 개발자가 더 많았다(코드 양이 적기 때문에 사용하는 메모리 용량도 적다).
• 이젠 컴파일러도 있고 RAM 용량도 훨씬 커졌다. 요즘엔 배터리 수명을 더 신경 쓴다. 프로세서에 수행할 것이 많아질수록 에너지 사용도 많아진다. ARM(RISC) 프로세서가 모바일 기기용으로 각광받은 이유는 이 때문.

 

이미지 출처 Circuit Digest

• ARM 프로세서는 에너지 효율이 매우 높다. CISC처럼 기능이 많지 않기 때문에 필요한 트랜지스터(전류를 증폭할 수 있는 부품)가 적어서 가격도 저렴하다. 차지하는 크기도 작다.
  • (1985년) ARM 프로세서의 트랜지스터 : 25,000개
  • (1985년) 인텔 프로세서의 트랜지스터 : 275,000개
• 1990년 애플은 Apple Newton에 사용하기 위해 Acron(ARM 메이커)에 라이선스 사용을 요청했다. Nokia도 ARM을 사용하면서 더 많은 모바일과 iOT 기기들이 ARM을 사용하기 시작했다.
• 최근엔 CISC와 RISC가 서로의 장점과 기능을 추가하면서 경계가 희미해졌다.
• X86 CISC 구조는 꽤 오랜 기간 사용되어 왔다. 수많은 컴퓨터, 소프트웨어, 서버, 은행, 정부 등이 X86 구조에 맞춘 소프트웨어를 사용하고 있다. 이런 레거시 때문에 아직까지 많은 곳에서 CISC를 사용하고 있다.
• X86 → ARM 프로세서 전환은 생각보다 쉽지 않다. 맥북 M1 유저는 아직까지 일부 프로그램 실행에 어려움을 겪고 있다. 해당 프로그램을 X86에서 ARM으로 변환해야 하기 때문이다(대부분은 로제타를 쓰면 된다).

 

ARM의 비즈니스 모델

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• 인텔은 칩을 직접 생산한다.
• ARM은 칩을 직접 생산하지 않고 IP를 라이선스 한다.
• 다른 회사들이 ARM의 라이선스를 구매한 후, 맞춤형으로 칩을 생산할 수 있는 구조다.
• 애플의 맥북도 그렇게 생산한 제품이다: 
  • ARM에게 돈을 지불해서 라이선스를 구매한 후 맥북용으로 맞춤 생산한다.
  • 맞춤형으로 생산한 덕분에 더 빠른 속도, 길어진 배터리 수명을 갖게 됐다.
  • 인텔이 혁신하기를 기다릴 필요도 없다.
• 아마존도 비슷하게 하고 있다: 
  • 아마존의 Graviton 서버는 맞춤형 ARM 프로세서에서 돌아가고 있다.
  • 기존보다 10~20% 더 저렴하고 인텔/AMD 서버보다 40% 빠르다.
  • 어디를 최적화해야 하는지 아마존이 잘 알기 때문에 맞춤형으로 개선시킬 수 있던 것.
• MS도 비슷하게 하고 있다: 
  • ARM 기반의 SoC(片上系统; System On Chip)를 만들고 있다.
  • 서피스 PC에 사용하기 위해서다.
• 소비자 입장에선 ARM 덕분에 서버 비용이 저렴해지고 속도도 빨라져서 좋다.

 

레퍼런스

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애플은 왜 인텔 대신 ARM을 선택했나? 10분 순삭  

 

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