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마이크로프로세서

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
개발 날짜 및 비트 길이별 마이크로프로세서
Intel 로고와 C4004가 표시된 검은색 폼 위의 16핀 화이트 세라믹 DIP
4비트 인텔 4004 (1971)
Motorola 로고와 XC6800A가 표시된 주황색 배경 위의 40핀 그레이 세라믹 DIP
8비트 모토로라 6800 (1974)
Intel 로고, C8086 및 '78 저작권이 표시된 주황색 배경 위의 40핀 그레이 세라믹 DIP
16비트 인텔 8086 (1978)
IBM 로고, PowerPC 601 및 1992 저작권이 표시된 흰색 배경 위의 수많은 핀이 있는 녹색 쿼드 플랫 패키지
32비트 파워PC 601 (1993)
AMD 로고, AMD Ryzen Threadripper 7970X 및 2022 저작권이 표시된 흰색 배경 위 주황색 캐리어 프레임 안의 회색 패키지 IC
X86-64 젠 4 기반의 64비트, 32코어 (64스레드) AMD 라이젠 스레드리퍼 7970X (2022)

마이크로프로세서(영어: microprocessor, microprocessing unit) 또는 초소형 연산 처리 장치(超小型演算處理裝置)는 데이터 처리 논리와 제어가 단일 집적 회로(IC) 또는 소수의 집적 회로에 포함된 컴퓨터 프로세서이다. 마이크로프로세서에는 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU) 기능을 수행하는 데 필요한 산술, 논리 및 제어 회로가 포함되어 있다. 집적 회로는 프로그램 명령을 해석 및 실행하고 산술 연산을 수행할 수 있다.[1] 마이크로프로세서는 다목적이며, 클럭 구동 방식이고, 레지스터 기반의 디지털 집적 회로로서 이진 데이터를 입력으로 받아 메모리에 저장된 명령어에 따라 처리하고 결과를 (마찬가지로 이진 형식으로) 출력한다. 마이크로프로세서는 조합 논리와 순차 논리를 모두 포함하며, 이진수 체계로 표현된 숫자와 기호를 연산한다.

초고밀도 집적 회로(VLSI)를 사용하여 전체 CPU를 단일 또는 소수의 집적 회로에 통합함으로써 처리 능력의 비용을 크게 절감했다. 집적 회로 프로세서는 고도로 자동화된 금속-산화물-반도체(MOS) 제조 공정을 통해 대량으로 생산되므로 단가가 상대적으로 저렴하다. 단일 칩 프로세서는 고장날 수 있는 전기적 연결 부위가 적기 때문에 신뢰성이 높다. 마이크로프로세서 설계가 개선됨에 따라, 무어의 법칙과 유사한 바위의 법칙(Rock's law)에 따르면 (동일한 크기의 반도체 칩에 더 작은 소자를 구축함으로써) 칩 제조 비용은 일반적으로 일정하게 유지된다.

마이크로프로세서가 등장하기 전에는 많은 중규모 집적 및 소규모 집적 회로가 있는 회로 기판 랙을 사용하여 소형 컴퓨터를 제작했다. 이들은 일반적으로 TTL 유형이었다. 마이크로프로세서는 이를 하나 또는 소수의 대규모 집적 IC로 결합했다. 마이크로프로세서 발명의 공로가 누구에게 있는지에 대해서는 논란이 있지만, 최초의 상업용 마이크로프로세서는 페데리코 파진이 설계하여 1971년에 출시된 인텔 4004였다.[2]

마이크로프로세서 성능의 지속적인 향상은 다른 형태의 컴퓨터들을 거의 완전히 도태시켰으며(참조: 컴퓨터의 역사), 하나 이상의 마이크로프로세서가 가장 작은 임베디드 시스템과 휴대용 장치부터 가장 큰 메인프레임과 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 모든 곳에 사용되고 있다.

마이크로프로세서는 시스템 온 칩을 포함한 마이크로컨트롤러와는 구별된다.[3] 마이크로프로세서는 디지털 신호 처리의 운영 요구 사항에 최적화된 아키텍처를 가진 특수 마이크로프로세서 칩인 디지털 신호 처리 장치와 관련이 있지만 이와도 구별된다.[4]: 104–107 [5]

구조

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자일로그 Z80 마이크로프로세서(1976)의 아키텍처는 내부적으로 8비트 산술 논리 장치 및 레지스터 파일을 사용하지만, 16비트 메모리 주소를 사용하여 외부 메모리에 접근한다.

집적 회로의 복잡성은 한 칩에 넣을 수 있는 트랜지스터 수, 프로세서를 시스템의 다른 부분과 연결할 수 있는 패키지 단자 수, 칩 내부에서 가능한 상호 연결 수, 칩이 방출할 수 있는 열 등에 의해 물리적으로 제한된다. 기술이 발전함에 따라 더 복잡하고 강력한 칩의 제조가 가능해졌다.

가상의 최소 마이크로프로세서에는 산술 논리 장치(ALU)와 제어 논리 섹션만 포함될 수 있다. ALU는 덧셈, 뺄셈 및 AND 또는 OR와 같은 연산을 수행한다. ALU의 각 연산은 상태 레지스터의 하나 이상의 플래그를 설정하며, 이는 마지막 연산의 결과(0 값, 음수, 오버플로 등)를 나타낸다. 제어 논리는 메모리에서 명령어 코드를 가져오고 ALU가 명령어를 수행하는 데 필요한 연산 시퀀스를 시작한다. 단일 작동 코드는 프로세서의 많은 개별 데이터 경로, 레지스터 및 기타 요소에 영향을 줄 수 있다.

집적 회로 기술이 발전함에 따라 단일 칩에 점점 더 복잡한 프로세서를 제조하는 것이 가능해졌다. 데이터 개체의 크기가 커졌으며, 한 칩에 더 많은 트랜지스터를 허용함으로써 워드 크기가 4 및 8비트 워드에서 오늘날의 64비트 워드로 증가할 수 있게 되었다. 프로세서 아키텍처에 추가 기능이 더해졌다. 온칩 레지스터가 늘어나 프로그램 속도가 빨라졌고, 더 복잡한 명령어를 사용하여 프로그램을 더 간결하게 만들 수 있게 되었다. 예를 들어 부동소수점 연산은 8비트 마이크로프로세서에서는 대개 사용할 수 없었고 소프트웨어로 수행해야 했다. 처음에는 별도의 집적 회로로, 나중에는 동일한 마이크로프로세서 칩의 일부로 부동소수점 장치가 통합되면서 부동소수점 계산 속도가 빨라졌다.

때때로 집적 회로의 물리적 한계로 인해 비트 슬라이싱 접근 방식과 같은 관행이 필요했다. 하나의 집적 회로에서 긴 워드를 모두 처리하는 대신, 여러 회로가 병렬로 각 워드의 하위 집합을 처리했다. 이를 처리하기 위해 각 슬라이스 내에서 캐리 및 오버플로를 처리하는 추가 논리가 필요했지만, 그 결과 각각 4비트 용량의 집적 회로를 사용하여 32비트 워드를 처리할 수 있는 시스템이 탄생했다.

하나의 칩에 방대한 수의 트랜지스터를 넣을 수 있게 됨으로써 프로세서와 동일한 다이에 메모리를 통합하는 것이 가능해졌다. 이러한 CPU 캐시는 칩 외부 메모리보다 접근 속도가 빠르다는 장점이 있으며 많은 응용 프로그램에서 시스템의 처리 속도를 높여준다. 프로세서 클럭 주파수가 외부 메모리 속도보다 더 빠르게 증가했기 때문에, 프로세서가 느린 외부 메모리로 인해 지연되지 않으려면 캐시 메모리가 필수적이다.

일부 프로세서의 설계는 완전히 테스트하기 어려울 정도로 복잡해졌으며, 이로 인해 대형 클라우드 제공업체에서 문제가 발생하기도 했다.[6]

특수 목적 설계

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마이크로프로세서는 범용 처리 개체이다. 이후 여러 전문화된 처리 장치가 등장했다.

속도 및 전력 고려 사항

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마이크로프로세서는 복잡성의 척도인 워드 크기에 따라 다른 응용 분야에 선택될 수 있다. 워드 크기가 길수록 프로세서의 각 클럭 주기마다 더 많은 계산을 수행할 수 있지만, 대기 및 작동 시 전력 소비가 더 높은 물리적으로 더 큰 집적 회로 다이에 해당한다.[7] 4, 8 또는 12비트 프로세서는 임베디드 시스템을 작동하는 마이크로컨트롤러에 널리 통합된다. 시스템이 더 많은 양의 데이터를 처리하거나 더 유연한 사용자 인터페이스를 요구할 것으로 예상되는 경우 16, 32 또는 64비트 프로세서가 사용된다. 극도로 저전력 전자 장치가 필요하거나 고해상도 아날로그-디지털 변환기와 같이 노이즈에 민감한 온칩 아날로그 회로가 포함된 혼성 신호 집적 회로의 일부인 시스템 온 칩 또는 마이크로컨트롤러 응용 분야에서는 32비트 프로세서보다 8비트 또는 16비트 프로세서가 선택될 수 있다. 어떤 이들은 8비트 칩에서 32비트 산술을 실행하면 칩이 여러 명령어로 된 소프트웨어를 실행해야 하므로 결국 더 많은 전력을 소비하게 될 수 있다고 말한다.[8] 그러나 다른 이들은 동등한 소프트웨어 루틴을 실행할 때 현대적인 8비트 칩이 항상 32비트 칩보다 전력 효율이 높다고 주장한다.[9]

임베디드 응용 분야

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전통적으로 컴퓨터와 관련이 없던 수천 개의 품목에 마이크로프로세서가 포함되어 있다. 여기에는 가정용 가전제품, 차량(및 그 액세서리), 도구 및 테스트 장비, 장난감, 전등 스위치/조광기 및 누전 차단기, 연기 감지기, 배터리 팩, 하이파이 오디오/비주얼 구성 요소(DVD 플레이어부터 축음기 턴테이블까지)가 포함된다. 휴대폰, DVD 비디오 시스템 및 HDTV 방송 시스템과 같은 제품은 근본적으로 강력하고 저렴한 마이크로프로세서가 탑재된 소비자 장치를 필요로 한다. 점점 더 엄격해지는 오염 제어 표준으로 인해 자동차 제조업체는 자동차의 광범위하게 변하는 작동 조건에서 최적의 배출 가스 제어를 가능하게 하는 마이크로프로세서 엔진 관리 시스템을 사용해야 한다. 프로그래밍이 불가능한 제어 방식으로는 마이크로프로세서로 가능한 결과를 달성하기 위해 부피가 크거나 비용이 많이 드는 구현이 필요할 것이다.

마이크로프로세서 제어 프로그램(임베디드 소프트웨어)은 제품군의 요구에 맞게 조정될 수 있어 제품의 재설계를 최소화하면서 성능 업그레이드가 가능하다. 제품군의 다양한 모델에 고유한 기능을 무시할 수 있는 수준의 생산 비용으로 구현할 수 있다.

시스템의 마이크로프로세서 제어는 전기 기계식 제어 또는 특수 목적 전자 제어를 사용하여 구현하기 비실용적인 제어 전략을 제공할 수 있다. 예를 들어, 내연 기관의 제어 시스템은 엔진 속도, 부하, 온도 및 관찰된 노킹 경향에 따라 점화 시기를 조정하여 엔진이 다양한 연료 등급에서 작동할 수 있도록 한다.

역사

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집적 회로 기반의 저렴한 컴퓨터의 등장은 현대 사회를 변화시켰다. 개인용 컴퓨터의 범용 마이크로프로세서는 계산, 텍스트 편집, 멀티미디어 표시 및 인터넷 통신에 사용된다. 훨씬 더 많은 마이크로프로세서가 임베디드 시스템의 일부로서 가전제품부터 자동차, 셀룰러 폰, 산업 공정 제어에 이르기까지 무수히 많은 사물에 대한 디지털 제어를 제공한다. 마이크로프로세서는 조지 불의 이름을 딴 불 논리를 바탕으로 이진 연산을 수행한다. 불 논리를 사용하여 컴퓨터 시스템을 작동시키는 능력은 1938년 당시 석사 과정 학생이었으며 나중에 교수가 된 클럭 섀넌의 논문에서 처음 증명되었다. 섀넌은 "정보 이론의 아버지"로 간주된다. 1951년, 케임브리지 대학교의 모리스 윌크스는 전용 ROM의 특수 프로그램으로 중앙 프로세서를 제어할 수 있다는 인식에서 마이크로프로그래밍을 발명했다.[10] 윌크스는 또한 상징적 라벨, 매크로 및 서브루틴 라이브러리에 대한 아이디어를 낸 공로도 인정받는다.[11]

1960년대 초 MOS 집적 회로 칩이 개발된 이후, MOS 칩은 1964년경 바이폴라 집적 회로보다 더 높은 트랜지스터 밀도와 낮은 제조 비용에 도달했다. MOS 칩은 무어의 법칙이 예측한 속도로 복잡성이 더욱 증가하여 1960년대 후반에는 단일 MOS 칩에 수백 개의 트랜지스터가 있는 대규모 집적(LSI)에 이르렀다. 엔지니어들이 완전한 컴퓨터 프로세서가 여러 개의 MOS LSI 칩에 포함될 수 있다는 사실을 인식하기 시작하면서 컴퓨팅에 MOS LSI 칩을 적용한 것이 최초의 마이크로프로세서의 기초가 되었다.[12] 1960년대 후반의 설계자들은 마이크로프로세서 유닛(MPU) 칩셋이라고 불리는 소수의 MOS LSI 칩에 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU) 기능을 통합하기 위해 노력하고 있었다.

마이크로프로세서를 누가 발명했는지에 대해서는 의견이 엇갈리지만,[2][13] 최초의 상업용 마이크로프로세서는 1971년에 단일 MOS LSI 칩으로 출시된 인텔 4004였다.[14] 단일 칩 마이크로프로세서는 MOS 실리콘 게이트 기술(SGT)의 개발로 가능해졌다.[15] 초기 MOS 트랜지스터는 알루미늄 게이트를 가졌는데, 이탈리아의 물리학자 페데리코 파진이 이를 규소 자기 정렬 게이트로 교체하여 1968년 페어차일드 반도체에서 최초의 실리콘 게이트 MOS 칩을 개발했다.[15] 파진은 나중에 인텔에 합류하여 1971년에 마시안 호프, 스탠리 메이저, 시마 마사토시와 함께 자신의 실리콘 게이트 MOS 기술을 사용하여 4004를 개발했다.[16] 4004는 비지컴(Busicom)을 위해 설계되었는데, 비지컴은 인텔의 파진 팀이 이를 새로운 단일 칩 설계로 바꾸기 전인 1969년에 멀티 칩 설계를 제안했었다. 4비트 인텔 4004에 이어 1972년에는 8비트 인텔 8008이 출시되었다. 1970년 F-14 CADC에 사용된 MP944 칩셋도 초기 마이크로프로세서로 언급되지만, 1998년에 기밀이 해제될 때까지 대중에 알려지지 않았다.

단말기, 프린터, 다양한 종류의 자동화 등 4비트 및 8비트 마이크로프로세서의 다른 임베디드 용도가 뒤를 이었다. 16비트 주소 지정을 지원하는 저렴한 8비트 마이크로프로세서는 1970년대 중반부터 최초의 범용 마이크로컴퓨터의 등장을 이끌었다.

"마이크로프로세서"라는 용어의 최초 사용은 1968년에 발표된 자사의 System 21 소형 컴퓨터 시스템에 사용된 맞춤형 집적 회로를 설명한 Viatron Computer Systems의 공으로 돌아간다.[17]

1970년대 초부터 마이크로프로세서 용량의 증가는 무어의 법칙을 따랐다. 이는 원래 칩에 장착할 수 있는 부품 수가 매년 두 배로 늘어난다는 제안이었다. 현재 기술로는 실제로는 2년마다 두 배가 되며,[18] 그 결과 나중에 무어는 그 기간을 2년으로 변경했다.[19]

초기 프로젝트

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다음 프로젝트들은 거의 같은 시기에 마이크로프로세서를 내놓았다. 내셔널 세미컨덕터 개렛 에이리서치(Garrett AiResearch)의 중앙 항공 데이터 컴퓨터(CADC) (1970), 텍사스 인스트루먼트의 TMS 1802NC (1971년 9월), 인텔의 4004 (1971년 11월, 이전 1969년 비지컴 설계를 기반으로 함) 등이다. 틀림없이 포페이스 시스템즈(Four-Phase Systems)의 AL1 마이크로프로세서도 1969년에 인도되었다.

포페이스 시스템즈 AL1 (1969)

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Four-Phase Systems AL1은 8개의 레지스터와 하나의 ALU를 포함하는 8비트 비트 슬라이스 칩이었다.[20] 이것은 1969년 리 보이젤(Lee Boysel)에 의해 설계되었다.[21][22][23] 당시 이 칩은 세 개의 AL1을 가진 9칩, 24비트 CPU의 일부를 형성했다. 1990년대 텍사스 인스트루먼트가 제기한 소송에 대응하여 보이젤이 1969년 날짜가 찍힌 단일 AL1이 RAM, ROM 및 입출력 장치와 함께 법정 시연용 컴퓨터 시스템의 일부를 형성하는 시연 시스템을 구축했을 때 나중에 마이크로프로세서라고 불리게 되었다.[24] AL1은 개별적으로 판매되지는 않았지만, 1970년 9월에 발표되고 1972년 2월에 처음 인도된 System IV/70의 일부였다.[25]

개렛 에이리서치 CADC (1970)

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1968년, 개렛 에이리서치(Garrett AiResearch, 설계자 레이 홀트와 스티브 겔러가 근무)는 미국 해군의 신형 F-14 톰캣 전투기의 주 비행 제어 컴퓨터로 당시 개발 중이던 전기 기계식 시스템과 경쟁할 디지털 컴퓨터를 제작해 달라는 요청을 받았다. 설계는 1970년에 완료되었으며, MOS 기반 칩셋을 핵심 CPU로 사용했다. 이 설계는 경쟁했던 기계식 시스템보다 훨씬(약 20배) 작고 훨씬 더 신뢰할 수 있었으며 초기 톰캣의 모든 모델에 사용되었다. 이 시스템은 "20비트, 파이프라인 방식의 병렬 멀티 마이크로프로세서"를 포함하고 있었다. 해군은 1997년까지 이 설계의 공개를 허용하지 않았다. 1998년에 공개된 CADC 및 MP944 칩셋에 대한 문서는 잘 알려져 있다. 이 설계 및 개발에 대한 레이 홀트의 자전적 이야기는 'The Accidental Engineer'라는 책에 소개되어 있다.[26][27]

레이 홀트는 1968년에 캘리포니아 주립 폴리테크닉 대학교 포모나를 졸업하고 CADC와 함께 컴퓨터 설계 경력을 시작했다.[28] 초기부터 비밀에 부쳐졌으나 1998년 홀트의 요청으로 미국 해군이 관련 문서를 공공 영역으로 공개했다. 홀트는 아무도 이 마이크로프로세서를 나중에 나온 것들과 비교하지 않았다고 주장했다.[29] 파라브 등(2007)에 따르면,

1971년경에 발표된 과학 논문과 문헌들은 미국 해군의 F-14 톰캣 항공기에 사용된 MP944 디지털 프로세서가 최초의 마이크로프로세서로서의 자격이 있음을 밝히고 있다. 흥미롭긴 하지만 인텔 4004가 그랬던 것처럼 단일 칩 프로세서는 아니었다. 두 제품 모두 범용 형태를 만들기 위해 사용할 수 있는 일련의 병렬 구성 요소에 더 가까웠다. 여기에는 CPU, RAM, ROM 및 인텔 4004와 같은 두 개의 다른 지원 칩이 포함되어 있다. 이것은 동일한 PMOS 논리 기술로 만들어졌고 군사 규격에서 작동했으며 더 큰 칩을 가졌는데, 이는 어떤 기준으로 보아도 뛰어난 컴퓨터 공학적 설계였다. 그 설계는 인텔보다 2년이나 앞선 중대한 진전을 보여준다. 실제로 인텔 4004가 발표되었을 때 그것은 실제로 작동하여 F-14에서 비행 중이었다. 이는 오늘날의 DSP와 마이크로컨트롤러 아키텍처가 융합되는 산업 테마가 1971년에 시작되었음을 시사한다.[30]

이러한 DSP와 마이크로컨트롤러 아키텍처의 융합은 디지털 신호 컨트롤러로 알려져 있다.[31]

길버트 하얏트 (1970)

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1990년, 미국의 엔지니어 길버트 하얏트(Gilbert Hyatt)는 미국 특허 제4,942,516호를 부여받았는데,[32] 이는 1968년 텔레다인을 그만두고 1969년 캘리포니아주 노스리지 자택에서 바이폴라 칩 보드로 구축한 16비트 직렬 컴퓨터를 기반으로 한 것이었다.[2][33] 비록 특허는 1970년 12월에, 그리고 텍사스 인스트루먼트의 TMX 1795 및 TMS 0100 출원 전에 제출되었지만 하얏트의 발명은 결코 제조되지 않았다.[33][34][35] 그럼에도 불구하고 이는 하얏트가 마이크로프로세서의 발명가라는 주장과 필립스 N.V. 자회사를 통한 상당한 로열티 지급으로 이어졌으나,[36] 1996년 복잡한 법적 투쟁 끝에 텍사스 인스트루먼트가 승리하면서 미국 특허청은 하얏트가 특허를 유지하는 것을 허용하면서도 특허의 핵심 부분을 뒤집었다.[2][37] 하얏트는 1990년 로스앤젤레스 타임스 기사에서 자신의 잠재적 투자자들이 자신을 지원했다면 그의 발명이 결코 탄생하지 않았을 것이며, 벤처 투자자들이 그의 칩에 대한 세부 정보를 업계에 유출했다고 말했지만 이 주장을 뒷받침할 구체적인 증거는 제시하지 않았다.[33] 같은 기사에서 '칩(The Chip)'의 저자 T.R. 리드(T.R. Reid)는 1958년 인텔의 노이스와 TI의 킬비가 칩 발명의 공로를 공유하는 것처럼 역사가들이 궁극적으로 하얏트를 마이크로프로세서의 공동 발명가로 자리매김할 수도 있다고 인용했다: "킬비가 먼저 아이디어를 냈지만, 노이스가 그것을 실용적으로 만들었다. 법적 판결은 최종적으로 노이스의 손을 들어주었지만, 그들은 공동 발명가로 간주된다. 여기서도 같은 일이 일어날 수 있다."[33] 하얏트는 1990년 이후 자신의 특허 횡재에 대해 미납된 세금이 있다는 혐의로 캘리포니아주를 상대로 수십 년간의 법적 투쟁을 벌였으며, 이는 주들의 주권면제 문제를 다룬 2019년의 획기적인 대법원 사건인 캘리포니아 프랜차이즈 세무국 대 하얏트 (2019)로 정점에 달했다.

텍사스 인스트루먼트 TMX 1795 (1970–1971)

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텍사스 인스트루먼트는 1970~1971년에 Datapoint 2200 터미널을 위한 단일 칩 CPU 대체품인 TMX 1795(나중에 TMC 1795)를 개발했다. 인텔의 후기 8008과 마찬가지로 고객사 데이터포인트(Datapoint)에 의해 거절당했다. 게리 분(Gary Boone)에 따르면 TMX 1795는 결코 생산 단계에 이르지 못했다. 하지만 1971년 2월 24일에 프로토타입 상태에 도달했다.[38] 동일한 사양으로 제작되었기 때문에 그 명령어 집합은 인텔 8008과 매우 유사했다.[39][40]

텍사스 인스트루먼트 TMS 1802NC (1971)

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1971년 9월 17일에 발표된 TMS1802NC는 최초의 마이크로컨트롤러였으며 출시 당시 4가지 기능의 계산기를 구현했다. TMS1802NC는 명칭에도 불구하고 TMS 1000 시리즈의 일부가 아니었다. 나중에 TI 데이터매스(Datamath) 계산기에 사용된 TMS 0100 시리즈의 일부로 재지정되었다. 그것은 칩 상의 계산기이자 "완전 프로그래밍 가능"한 것으로 마케팅되었지만, 이 프로그래밍은 제조 과정에서 이루어져야 했다. 이 칩은 11비트 명령어 워드, 3520비트(320개 명령어)의 ROM 및 182비트의 RAM이 있는 CPU를 통합했다.[39][41][40][42]

피코/제너럴 인스트루먼트 (1971)

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1971년에 도입된 PICO1/GI250 칩: 피코 일렉트로닉스(Pico Electronics, 스코틀랜드 글렌로시스)가 설계하고 뉴욕 힉스빌의 제너럴 인스트루먼트가 제조했다.

1971년, 피코 일렉트로닉스(Pico Electronics)[43]와 제너럴 인스트루먼트(GI)는 그들의 첫 IC 협업 제품인 Monroe/Litton Royal Digital III 계산기용 완전 단일 칩 계산기 IC를 도입했다. 이 칩은 또한 온칩에 ROM, RAM 및 간단한 명령어 집합을 갖춘 최초의 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러 중 하나라고 주장할 수 있다. PMOS 논리 공정의 4개 층에 대한 레이아웃은 마일라 필름 위에 500배율로 손으로 그려졌는데, 칩의 복잡성을 고려할 때 당시로서는 중대한 작업이었다.

피코는 단일 칩 계산기 IC를 만드는 것이 비전이었던 5명의 GI 설계 엔지니어가 분사한 회사였다. 그들은 GI와 마르코니-엘리엇(Marconi-Elliott) 모두에서 여러 계산기 칩셋에 대한 상당한 이전 설계 경험을 가지고 있었다.[44] 핵심 팀원들은 원래 엘리엇 오토메이션(Elliott Automation)으로부터 MOS로 된 8비트 컴퓨터를 만들라는 과제를 부여받았으며 1967년 스코틀랜드 글렌로시스에 MOS 연구소를 설립하는 것을 도왔다.

계산기가 반도체의 가장 큰 단일 시장이 되고 있었기 때문에 피코와 GI는 이 급성장하는 시장에서 큰 성공을 거두었다. GI는 CP1600, IOB1680 및 PIC1650을 포함한 제품으로 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러에서 혁신을 이어갔다.[45] 1987년, GI 마이크로일렉트로닉스 사업부는 마이크로칩 테크놀로지의 PIC 마이크로컨트롤러 사업부로 분사되었다.

인텔 4004 (1971)

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커버가 제거된(왼쪽) 인텔의 첫 마이크로프로세서 4004와 실제 사용되는 모습(오른쪽)
1971년 Electronic News 잡지에 실린 인텔 광고로, 4004의 저렴함, 소형성, 프로그래밍 용이성 및 유연성을 강조하고 있다.

인텔 4004는 (종종 잘못되게) 단일 칩으로 제작된 최초의 진정한 마이크로프로세서로 간주되며,[46][47] 가격은 US$60 (equivalent to $470 in 2024)였다.[48] 4004에 대해 알려진 최초의 광고는 1971년 11월 15일자이며, Electronic News에 실렸다.[49] 이 마이크로프로세서는 이탈리아의 엔지니어 페데리코 파진, 미국의 엔지니어 마시안 호프와 스탠리 메이저, 그리고 일본의 엔지니어 시마 마사토시로 구성된 팀에 의해 설계되었다.[50]

4004를 탄생시킨 프로젝트는 1969년 일본의 계산기 제조업체인 비지컴(Busicom)이 인텔에 고성능 데스크톱 계산기용 칩셋 제작을 요청하면서 시작되었다. 비지컴의 원래 설계는 7개의 서로 다른 칩으로 구성된 프로그래밍 가능한 칩 세트를 요구했다. 그중 3개는 ROM에 저장된 프로그램과 시프트 레지스터 읽기-쓰기 메모리에 저장된 데이터를 가진 특수 목적 CPU를 만들기 위한 것이었다. 프로젝트 평가 업무를 맡은 인텔 엔지니어 테드 호프는 시프트 레지스터 메모리 대신 데이터용 동적 RAM 저장 장치를 사용하고 보다 전통적인 범용 CPU 아키텍처를 사용함으로써 비지컴의 설계를 단순화할 수 있다고 믿었다. 호프는 프로그램을 저장하기 위한 ROM 칩, 데이터를 저장하기 위한 동적 RAM 칩, 단순한 I/O 장치, 그리고 4비트 중앙 처리 장치(CPU)로 구성된 4칩 아키텍처 제안을 내놓았다. 그는 칩 설계자는 아니었지만 CPU가 단일 칩에 통합될 수 있다고 느꼈으나, 기술적 노하우가 부족하여 그 아이디어는 당분간 바람으로만 남았다.

MCS-4의 아키텍처와 사양은 1969년 동안 호프와 그에게 보고하는 소프트웨어 엔지니어인 스탠리 메이저, 그리고 비지컴의 엔지니어 시마 마사토시의 교류에서 나왔지만, 메이저와 호프는 다른 프로젝트로 이동했다. 1970년 4월, 인텔은 이탈리아 엔지니어 페데리코 파진을 프로젝트 리더로 고용했고, 이 조치는 마침내 단일 칩 CPU 최종 설계를 현실로 만들었다(한편 시마는 비지컴 계산기 펌웨어를 설계하고 구현 첫 6개월 동안 파진을 도왔다). 1968년 페어차일드 반도체에서 원래 실리콘 게이트 기술(SGT)을 개발하고[51] SGT를 사용한 세계 최초의 상업용 집적 회로인 Fairchild 3708을 설계한 파진은 최초의 상업용 범용 마이크로프로세서가 될 이 프로젝트를 이끌기에 적합한 배경을 가지고 있었다. SGT는 그 자신의 발명품이었기 때문에, 파진은 이를 사용하여 적절한 속도, 전력 소모 및 비용을 갖춘 단일 칩 CPU를 구현할 수 있게 해주는 무작위 논리 설계를 위한 자신만의 새로운 방법론을 만들었다. MCS-4 개발 당시 인텔의 MOS 설계 부서 관리자는 레슬리 배다스였으나, 배다스의 관심은 반도체 메모리의 주류 사업에 완전히 집중되어 있었기 때문에 그는 MCS-4 프로젝트의 리더십과 관리를 파진에게 맡겼고, 파진은 4004 프로젝트를 실현으로 이끄는 최종적인 책임을 졌다. 4004의 생산 제품은 1971년 3월 비지컴에 처음 인도되었고, 1971년 말 다른 고객들에게도 배송되었다.

8비트 설계

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인텔 4004에 이어 1972년에는 인텔의 첫 8비트 마이크로프로세서인 인텔 8008이 출시되었다.[52] 그러나 8008은 4004 설계의 확장이 아니라 텍사스주 샌안토니오의 CTC(Computer Terminals Corporation, Datapoint)와 그들이 설계 중이던 터미널용 칩 계약을 맺으며 발생한 인텔의 별도 설계 프로젝트의 정점이었다.[53] 그 터미널은 Datapoint 2200으로, 설계의 핵심적인 측면은 인텔이 아니라 CTC에서 나왔다. 1968년 CTC의 빅 푸어(Vic Poor)와 해리 파일(Harry Pyle)은 프로세서의 명령어 집합과 작동을 위한 원래 설계를 개발했다. 1969년 CTC는 CTC 1201로 알려진 단일 칩 구현을 위해 인텔 및 텍사스 인스트루먼트 두 회사와 계약했다.[54] 1970년 말 또는 1971년 초에 TI는 신뢰할 수 있는 부품을 만들 수 없어 탈락했다. 1970년 인텔이 아직 부품을 인도하지 않은 상태에서 CTC는 Datapoint 2200에 대신 전통적인 TTL 논리를 사용한 자체 구현을 사용하기로 선택했다(따라서 "8008 코드"를 실행하는 최초의 기계는 사실 마이크로프로세서가 전혀 아니었으며 1년 일찍 인도되었다). 인텔의 1201 마이크로프로세서 버전은 1971년 말에 도착했지만 너무 늦고 느렸으며 많은 추가 지원 칩이 필요했다. CTC는 그것을 사용하는 데 관심이 없었다. CTC는 원래 인텔과 칩 계약을 맺었으며 설계 작업에 대해 그들에게 US$50,000 (equivalent to $388,209 in 2024)를 빚졌을 것이다.[54] 원하지 않는 (그리고 사용할 수 없는) 칩에 대한 비용 지불을 피하기 위해 CTC는 인텔을 계약에서 풀어주고 설계를 자유롭게 사용할 수 있도록 허용했다.[54] 인텔은 1972년 4월에 이를 세계 최초의 8비트 마이크로프로세서인 8008로 출시했다. 이것은 1974년 Radio-Electronics 잡지에 광고된 유명한 "마크-8" 컴퓨터 키트의 기초가 되었다. 이 프로세서는 8비트 데이터 버스와 14비트 주소 버스를 가지고 있었다.[55]

8008은 8008보다 개선된 성능을 제공하고 더 적은 지원 칩을 필요로 했던 성공적인 인텔 8080(1974)의 전구체였다. 페데리코 파진은 고전압 N 채널 MOS를 사용하여 이를 구상하고 설계했다. 자일로그 Z80(1976) 또한 파진의 설계로, 공핍형 부하가 있는 저전압 N 채널과 파생된 인텔 8비트 프로세서를 사용했다. 이 모든 것들은 파진이 4004를 위해 만든 방법론으로 설계되었다. 모토로라는 1974년 8월에 경쟁작인 6800을 출시했고, 유사한 MOS 6502가 1975년에 출시되었다(둘 다 주로 동일한 인물들에 의해 설계되었다). 6502 계열은 1980년대에 Z80과 인기를 다투었다.

저렴한 전체 비용, 적은 패키징, 단순한 버스 요구 사항, 그리고 때로는 추가 회로의 통합(예: Z80의 내장 메모리 리프레시 회로)으로 인해 1980년대 초에 가정용 컴퓨터 "혁명"이 급격히 가속화될 수 있었다. 이는 US$99 (equivalent to $342.41 in 2024)에 판매된 싱클레어 ZX81과 같은 저렴한 기계를 탄생시켰다. 6502의 변형인 MOS Technology 6510은 코모도어 64에 사용되었으며, 또 다른 변형인 8502는 코모도어 128의 동력이 되었다.

Western Design Center(WDC)는 1982년에 CMOS WDC 65C02를 도입하고 여러 회사에 설계를 라이선스했다. 그것은 애플 IIe 및 IIc 개인용 컴퓨터뿐만 아니라 의료용 이식형 인공 심박동기 및 제세동기, 자동차, 산업 및 소비자 장치의 CPU로 사용되었다. WDC는 마이크로프로세서 설계의 라이선스 공여를 개척했으며, 이는 나중에 1990년대에 ARM(32비트) 및 기타 마이크로프로세서 지식 재산권(IP) 제공업체들이 따르게 되었다.

모토로라는 1978년에 MC6809를 출시했다. 이는 6800과 소스 호환이 되는 야심 차고 정교한 8비트 설계였으며, 순수하게 하드와이어드 논리를 사용하여 구현되었다(이후의 16비트 마이크로프로세서들은 CISC 설계 요구 사항이 순수 하드와이어드 논리로 구현하기에는 너무 복잡해짐에 따라 어느 정도 마이크로코드를 사용했다).

초기 8비트 마이크로프로세서 중 또 다른 하나는 혁신적이고 강력한 명령어 집합 아키텍처로 인해 잠시 관심을 끌었던 시그네틱스(Signetics) 2650이었다.

우주 비행의 세계에서 중요한 마이크로프로세서는 1976년에 도입된 RCA의 RCA 1802(CDP1802, RCA COSMAC으로도 알려짐)로, 목성 탐사선 갈릴레오(1989년 발사, 1995년 도착)에 탑재되었다. RCA COSMAC은 CMOS 기술을 최초로 구현했다. CDP1802가 사용된 이유는 매우 저전력으로 구동될 수 있고, 실리콘 온 사파이어(SOS)라는 특수 생산 공정을 사용하여 제작된 변형 모델이 있어 당시의 어떤 프로세서보다 정전기 방전 및 우주 방사선에 대해 훨씬 더 나은 보호 기능을 제공했기 때문이다. 따라서 1802의 SOS 버전은 최초의 내방사선 마이크로프로세서라고 불렸다.

RCA 1802는 정적 논리 설계를 가졌는데, 이는 클럭 주파수를 임의로 낮게 하거나 심지어 멈출 수 있음을 의미했다. 이를 통해 갈릴레오 우주선은 항해의 길고 단조로운 구간 동안 최소한의 전력을 사용할 수 있었다. 타이머나 센서가 항법 업데이트, 자세 제어, 데이터 수집 및 무선 통신과 같은 중요한 작업을 위해 제때 프로세서를 깨우곤 했다. 현재의 Western Design Center 65C02 및 65C816 버전 또한 정적 코어를 가지고 있어 클럭이 완전히 중단된 경우에도 데이터를 유지한다.

12비트 설계

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Intersil 6100 제품군은 12비트 마이크로프로세서(6100)와 일련의 주변 장치 지원 및 메모리 IC로 구성되었다. 이 마이크로프로세서는 DEC PDP-8 미니컴퓨터 명령어 집합을 인식했다. 이 때문에 때때로 CMOS-PDP8이라고도 불렸다. 해리스 코퍼레이션(Harris Corporation)에서도 생산되었기 때문에 Harris HM-6100으로도 알려졌다. CMOS 기술과 관련 이점 덕분에 6100은 1980년대 초까지 일부 군용 설계에 포함되었다.

16비트 설계

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최초의 멀티 칩 16비트 마이크로프로세서는 1973년 초에 도입된 내셔널 세미컨덕터 IMP-16이었다. 이 칩셋의 8비트 버전은 1974년에 IMP-8로 도입되었다. 또 다른 초기 멀티 칩 16비트 마이크로프로세서는 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)이 1975년에 LSI-11 OEM 보드 세트와 패키징된 PDP-11/03 미니컴퓨터를 위해 사용한 MCP-1600이다.

1974년 말, 내셔널 세미컨덕터는 최초의 16비트 단일 칩 마이크로프로세서인 PMOS 내셔널 세미컨덕터 PACE를 도입했고,[56] 이는 나중에 NMOS 논리 버전인 INS8900으로 이어졌다.

또 다른 단일 칩 설계는 1975년 2월에 출시된 제너럴 인스트루먼트 CP1600으로,[57] 주로 인텔리비전 콘솔에 사용되었다.

1976년에 나온 또 다른 단일 칩 16비트 마이크로프로세서는 TI의 TMS 9900으로, 그들의 TI-990 미니컴퓨터 라인과도 호환되었다. 9900은 TI 990/4 미니컴퓨터, TI-99/4A 가정용 컴퓨터 및 TM990 OEM 마이크로컴퓨터 보드 라인에 사용되었다. 이 칩은 대형 세라믹 64핀 DIP 패키지로 포장된 반면, 인텔 8080과 같은 대부분의 8비트 마이크로프로세서는 더 흔하고 작고 저렴한 플라스틱 40핀 DIP를 사용했다. 후속 칩인 TMS 9980은 인텔 8080과 경쟁하기 위해 설계되었으며, 전체 TI 990 16비트 명령어 집합을 가졌고, 플라스틱 40핀 패키지를 사용하고 데이터를 한 번에 8비트씩 이동했지만 16킬로바이트만 주소 지정할 수 있었다. 세 번째 칩인 TMS 9995는 새로운 설계였다. 이 제품군은 나중에 99105와 99110을 포함하도록 확장되었다.

미니컴퓨터를 마이크로프로세서로 구현한 또 다른 사례는 1977년에 도입된 페어차일드 반도체 MicroFlame 9440이다. 이는 Data General Nova 2의 명령어 집합을 구현했다.

1978년, 인텔은 8080 설계를 16비트 인텔 8086으로 "확대"했으며, 이는 대부분의 현대 PC 유형 컴퓨터의 동력인 X86 계열의 첫 번째 구성원이 되었다. 인텔은 8086을 8080 라인에서 소프트웨어를 포팅하는 비용 효율적인 방법으로 도입했고, 그 전제 하에 많은 비즈니스를 확보하는 데 성공했다. 8비트 외부 데이터 버스를 사용한 8086의 버전인 8088은 최초의 IBM PC에 탑재된 마이크로프로세서였다. 그 후 인텔은 80186과 80188, 80286, 그리고 1985년에는 32비트 80386을 출시하여 프로세서 계열의 하위 호환성을 통해 PC 시장 지배력을 굳혔다. 80186과 80188은 기본적으로 8086 및 8088의 버전이었으나, 일부 온보드 주변 장치와 몇 가지 새로운 명령어가 향상되었다. 비록 인텔의 80186과 80188은 IBM PC 유형 설계에 사용되지 않았지만, NEC의 세컨드 소스 버전인 V20과 V30은 자주 사용되었다. 8086과 그 후속 제품들은 혁신적이지만 제한적인 메모리 세그먼트 방식을 가졌던 반면, 80286은 완전한 기능을 갖춘 세그먼트 방식의 메모리 관리 장치(MMU)를 도입했다. 80386은 페이징 메모리 관리를 지원하는 평면 32비트 메모리 모델을 도입했다.

80386을 포함한 16비트 인텔 x86 프로세서들은 부동소수점 장치(FPU)를 포함하지 않았다. 인텔은 8086부터 80386 CPU까지 하드웨어 부동소수점 및 초월 함수 기능을 추가하기 위해 8087, 80187, 80287 및 80387 수학 코프로세서를 도입했다. 8087은 8086/8088 및 80186/80188과 함께 작동하고,[58] 80187은 80186과 작동하지만 80188과는 작동하지 않으며,[59] 80287은 80286과, 80387은 80386과 작동한다. x86 CPU와 x87 코프로세서의 결합은 단일 멀티 칩 마이크로프로세서를 형성한다. 두 칩은 하나의 통합된 명령어 집합을 사용하여 하나의 유닛으로 프로그래밍된다.[60] 8087 및 80187 코프로세서는 상위 프로세서의 데이터 및 주소 버스와 병렬로 연결되어 자신을 위한 명령어를 직접 실행한다. 80287 및 80387 코프로세서는 CPU 주소 공간의 I/O 포트를 통해 CPU와 인터페이스하며, 이는 프로그램에 투명하게 이루어져 프로그램이 이러한 I/O 포트를 직접 알거나 접근할 필요가 없다. 프로그램은 일반적인 명령어 작동 코드를 통해 코프로세서와 그 레지스터에 접근한다.

Western Design Center(WDC)는 1984년에 WDC CMOS 65C02의 16비트 업그레이드 버전인 CMOS 65816을 도입했다. 65816 16비트 마이크로프로세서는 애플 IIGS와 나중에 슈퍼 패미컴의 핵심이었으며, 이는 역사상 가장 인기 있는 16비트 설계 중 하나가 되었다.

32비트 설계

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인텔 80486DX2 다이의 상부 상호 연결 레이어

16비트 설계가 시장에 나온 지 얼마 되지 않아 32비트 구현이 나타나기 시작했다.

32비트 설계 중 가장 중요한 것은 1979년에 도입된 모토로라 MC68000이다. 널리 알려진 68k는 프로그래밍 모델에서 32비트 레지스터를 가졌지만 16비트 내부 데이터 경로, 3개의 16비트 산술 논리 장치, 그리고 16비트 외부 데이터 버스(핀 수를 줄이기 위해)를 사용했으며 외부적으로는 24비트 주소만 지원했다(내부적으로는 완전한 32비트 주소로 작동했다). IBM 시스템/370 기반 IBM 호환 메인프레임에서 MC68000 내부 마이크로코드는 32비트 IBM 시스템/370 메인프레임을 에뮬레이트하도록 수정되었다.[61] 모토로라는 일반적으로 이를 16비트 프로세서로 설명했다. 고성능, 대용량(16메가바이트 또는 224 바이트) 메모리 공간 및 상당히 낮은 비용의 결합은 해당 등급에서 가장 인기 있는 CPU 설계가 되게 했다. 애플 리사 및 매킨토시 128K 설계는 아타리 ST 및 아미가를 포함한 1980년대 중반의 다른 설계들과 마찬가지로 68000을 활용했다.

32비트 데이터 경로, 32비트 버스 및 32비트 주소를 갖춘 세계 최초의 단일 칩 완전 32비트 마이크로프로세서는 AT&T 벨 연구소의 BELLMAC-32A로, 1980년에 첫 샘플이 나왔고 1982년에 일반 생산되었다.[62][63] 1984년 AT&T의 기업 분할 이후 WE 32000(웨스턴 일렉트릭의 WE)으로 이름이 바뀌었고 WE 32100 및 WE 32200이라는 두 개의 후속 세대가 있었다. 이 마이크로프로세서들은 AT&T 3B5 및 3B15 미니컴퓨터, 세계 최초의 데스크톱 슈퍼 마이크로컴퓨터인 3B2, 세계 최초의 32비트 랩톱 컴퓨터인 "Companion", 그리고 오늘날의 게임 콘솔과 유사한 ROM 팩 메모리 카트리지를 특징으로 하는 세계 최초의 책 크기 슈퍼 마이크로컴퓨터인 "Alexander"에 사용되었다. 이 모든 시스템은 유닉스 시스템 V 운영 체제를 실행했다.

시장에서 구입할 수 있었던 최초의 상업용 단일 칩 완전 32비트 마이크로프로세서는 HP FOCUS였다.

인텔의 첫 32비트 마이크로프로세서는 1981년에 도입된 iAPX 432였으나 상업적으로 성공하지 못했다. 그것은 진보된 객체 지향 기능 기반 보안 아키텍처를 가졌으나, 일반적인 벤치마크 테스트에서 거의 4배나 빨랐던 인텔 자체의 80286(1982년 도입)과 같은 동시대 아키텍처에 비해 성능이 저조했다. 그러나 iAPX432의 결과는 부분적으로 서둘러 만들어져 최적화되지 않은 에이다 컴파일러 때문이기도 했다.

모토로라의 68000 성공은 가상 메모리 지원이 추가된 MC68010으로 이어졌다. 1984년에 도입된 MC68020은 완전한 32비트 데이터 및 주소 버스를 추가했다. 68020은 유닉스 슈퍼 마이크로컴퓨터 시장에서 엄청난 인기를 얻었으며, 많은 소규모 회사(예: Altos Computer Systems, Charles River Data Systems, Cromemco)가 데스크톱 크기의 시스템을 생산했다. 그 다음으로는 칩에 MMU를 통합하여 이전 설계를 개선한 MC68030이 도입되었다. 지속적인 성공은 더 나은 수학 성능을 위해 FPU를 포함한 MC68040으로 이어졌다. 68050은 성능 목표 달성에 실패하여 출시되지 않았고, 후속작인 MC68060은 훨씬 더 빠른 RISC 설계로 포화된 시장에 출시되었다. 68k 계열은 1990년대 초반에 사용이 줄어들었다.

다른 대기업들은 68020 및 그 후속 모델들을 임베디드 장비에 설계해 넣었다. 한때 PC의 인텔 펜티엄보다 임베디드 장비에 더 많은 68020이 있었다.[64] ColdFire 프로세서 코어는 68020의 파생형이다.

이 시기(1980년대 초중반)에 내셔널 세미컨덕터는 NS 16032(나중에 32016으로 개명)라고 불리는 매우 유사한 16비트 핀아웃, 32비트 내부 마이크로프로세서를 도입했으며, 완전한 32비트 버전은 NS 32032로 명명되었다. 나중에 내셔널 세미컨덕터는 내장된 중재 기능을 통해 두 개의 CPU가 동일한 메모리 버스에 상주할 수 있게 하는 NS 32132를 생산했다. NS32016/32는 MC68000/10보다 뛰어난 성능을 보였으나, MC68020과 거의 동시에 등장한 NS32332는 충분한 성능을 내지 못했다. 3세대 칩인 NS32532는 달랐다. 그것은 거의 같은 시기에 출시된 MC68030의 약 두 배 성능을 가졌다. AM29000 및 MC88000(현재 둘 다 도태됨)과 같은 RISC 프로세서의 등장은 최종 코어인 NS32764의 아키텍처에 영향을 미쳤다. 슈퍼스칼라 RISC 코어, 64비트 버스 및 내부적으로 오버클럭된 기술적으로 진보된 이 칩은 실시간 변환을 통해 Series 32000 명령어를 여전히 실행할 수 있었다.

내셔널 세미컨덕터가 유닉스 시장을 떠나기로 결정했을 때, 이 칩은 온칩 주변 장치 세트를 갖춘 Swordfish 임베디드 프로세서로 재설계되었다. 이 칩은 레이저 프린터 시장에 비해 너무 비싼 것으로 판명되어 폐기되었다. 설계 팀은 인텔로 가서 그곳에서 내부적으로 NS32764 코어와 매우 유사한 펜티엄 프로세서를 설계했다. Series 32000의 큰 성공은 레이저 프린터 시장에서 거두었는데, 마이크로코드화된 BitBlt 명령어를 갖춘 NS32CG16은 가성비가 매우 좋아 캐논과 같은 대기업들에 의해 채택되었다. 1980년대 중반까지 Sequent Computer Systems는 NS 32032를 사용한 최초의 SMP 서버급 컴퓨터를 도입했다. 이것은 이 설계의 몇 안 되는 승리 중 하나였으며 1980년대 후반에 사라졌다. MIPS R2000(1984) 및 R3000(1989)은 매우 성공적인 32비트 RISC 마이크로프로세서였다. 이들은 SGI 등을 통해 하이엔드 워크스테이션과 서버에 사용되었다. 다른 설계로는 너무 늦게 시장에 나와 기회를 잡지 못하고 빨리 사라진 자일로그 Z80000이 있었다.

ARM은 1985년에 처음 등장했다.[65] 이는 RISC 프로세서 설계로, 이후 전력 효율성, 라이선스 모델 및 광범위한 시스템 개발 도구 선택 덕분에 32비트 임베디드 시스템 프로세서 공간을 지배하게 되었다. 반도체 제조업체들은 일반적으로 코어를 라이선스하여 자신의 시스템 온 칩 제품에 통합한다. 애플과 같은 소수의 벤더만이 ARM 코어를 수정하거나 자체적으로 생성할 수 있는 라이선스를 보유하고 있다. 대부분의 셀룰러 폰에는 ARM 프로세서가 포함되어 있으며 다른 매우 다양한 제품들도 마찬가지이다. 가상 메모리 지원이 없는 마이크로컨트롤러 지향 ARM 코어뿐만 아니라 가상 메모리를 지원하는 대칭형 다중 처리(SMP) 응용 프로세서도 있다.

1993년부터 2003년까지 32비트 X86 아키텍처는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 및 서버 시장에서 점점 더 지배적이 되었으며, 이러한 마이크로프로세서들은 더 빨라지고 능력이 향상되었다. 인텔은 아키텍처의 초기 버전을 다른 회사들에 라이선스했지만 펜티엄의 라이선스는 거부했으므로 AMD와 사이릭스는 자체 설계를 기반으로 아키텍처의 후속 버전을 만들었다. 이 기간 동안 이 프로세서들은 복잡성(트랜지스터 수)과 성능(초당 명령어 수) 면에서 최소 세 배 이상 증가했다. 인텔의 펜티엄 라인은 아마도 일반 대중에게 가장 유명하고 인식하기 쉬운 32비트 프로세서 모델일 것이다.

개인용 컴퓨터의 64비트 설계

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64비트 마이크로프로세서 설계는 1990년대 초부터 여러 시장(1996년 닌텐도 64 게임 콘솔 포함)에서 사용되어 왔지만, 2000년대 초반에 PC 시장을 겨냥한 64비트 마이크로프로세서가 도입되었다.

2003년 9월 AMD가 x86과 하위 호환되는 64비트 아키텍처인 X86-64(또한 AMD64라고도 함)를 도입하고, 뒤이어 인텔이 거의 완벽하게 호환되는 64비트 확장(처음에는 IA-32e 또는 EM64T로 불렸으나 나중에 Intel 64로 개명됨)을 도입하면서 64비트 데스크톱 시대가 시작되었다. 두 버전 모두 성능 저하 없이 32비트 레거시 응용 프로그램을 실행할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 64비트 소프트웨어도 실행할 수 있다. 64비트를 기본적으로 실행하는 운영 체제인 Windows XP x64, 윈도우 비스타 x64, 윈도우 7 x64, 리눅스, BSD 및 MacOS를 통해 소프트웨어 또한 이러한 프로세서의 기능을 충분히 활용하도록 맞춰져 있다. 64비트로의 이동은 단순히 IA-32에서 레지스터 크기가 증가한 것 이상인데, 이는 범용 레지스터의 수도 두 배로 늘어났기 때문이다.

파워PC의 64비트 이동은 90년대 초 아키텍처 설계 당시부터 의도된 것이었으며 비호환성의 주요 원인은 아니었다. 기존 정수 레지스터와 모든 관련 데이터 경로가 확장되었지만, IA-32의 경우와 마찬가지로 부동소수점 및 벡터 유닛은 이미 수년 동안 64비트 이상에서 작동해 왔다. IA-32가 x86-64로 확장될 때와는 달리, 64비트 파워PC에서는 새로운 범용 레지스터가 추가되지 않았으므로 더 큰 주소 공간을 사용하지 않는 응용 프로그램의 경우 64비트 모드를 사용할 때 얻는 성능 향상은 미미하다.

2011년 ARM은 새로운 64비트 ARM 아키텍처를 도입했다.

RISC

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1980년대 중반에서 1990년대 초반 사이에 IBM 801 등과 같은 이산적인 RISC 유사 CPU 설계의 영향을 받아 새로운 고성능 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC) 마이크로프로세서들이 등장했다. RISC 마이크로프로세서는 처음에 특수 목적 기계와 유닉스 워크스테이션에 사용되었으나 이후 다른 역할에서도 널리 받아들여졌다.

최초의 상업용 RISC 마이크로프로세서 설계는 1984년 MIPS Computer Systems에 의해 출시된 32비트 R2000이다(R1000은 출시되지 않음). 1986년 HP는 PA-RISC CPU를 탑재한 첫 시스템을 출시했다. 1987년 비유닉스 계열인 에이콘 컴퓨터의 32비트, 당시 캐시가 없었던 ARM2 기반 아콘 아르키메데스가 당시 Acorn RISC Machine(ARM)으로 알려진 ARM 아키텍처를 사용하여 상업적 성공을 거둔 첫 사례가 되었다(첫 실리콘 ARM1은 1985년). R3000은 설계를 진정으로 실용적으로 만들었고, R4000은 세계 최초의 상업적으로 이용 가능한 64비트 RISC 마이크로프로세서를 도입했다. 경쟁 프로젝트들은 IBM POWER 및 Sun SPARC 아키텍처를 낳았다. 곧 모든 주요 벤더가 AT&T CRISP, AMD 29000, 인텔 i860 및 인텔 i960, 모토로라 88000, DEC 알파를 포함한 RISC 설계를 출시했다.

1990년대 후반에 이르러 비임베디드 응용 분야에서 여전히 대량 생산되는 64비트 RISC 아키텍처는 SPARC와 Power ISA 두 가지뿐이었으나, 2010년대 초 ARM이 점점 더 강력해지면서 일반 컴퓨팅 부문에서 세 번째 RISC 아키텍처가 되었다.

SMP 및 멀티 코어 설계

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abit two way motherboard
두 개의 인텔 셀러론 366MHz 프로세서를 지원하는 ABIT BP6 메인보드로, 잘만 방열판이 장착된 모습이다.
a computer motherboard with zalman heatsinks attached
잘만 플라워 방열판이 장착된 Abit BP6 듀얼 소켓 메인보드

SMP 대칭형 다중 처리[66]는 1990년대 이후 서버, 특정 워크스테이션 및 데스크톱 개인용 컴퓨터에서 일반적으로 사용되는 2개, 4개 또는 그 이상의 CPU(쌍을 이룸) 구성이다. 멀티 코어 프로세서는 하나 이상의 마이크로프로세서 코어를 포함하는 단일 CPU이다.

Abit의 이 인기 있는 듀얼 소켓 메인보드는 1999년에 최초의 SMP 지원 PC 메인보드로 출시되었으며, 인텔 펜티엄 프로는 시스템 빌더와 열성 팬들에게 제공된 최초의 상업용 CPU였다. Abit BP6는 두 개의 인텔 셀러론 CPU를 지원하며 SMP 지원 운영 체제(Windows NT/2000/Linux)와 함께 사용할 때 많은 응용 프로그램이 단일 CPU보다 훨씬 높은 성능을 얻는다. 초기 셀러론은 오버클럭이 용이하여 취미가들은 인텔의 사양을 훨씬 뛰어넘는 최대 533MHz로 이 비교적 저렴한 CPU를 클럭하여 사용했다. 이러한 메인보드의 성능을 발견한 후 인텔은 나중에 나온 CPU에서 배수 접근 권한을 제거했다.

2001년 IBM은 1996년에 250명의 연구팀과 함께 연구를 시작하여 5년 이상의 연구를 거쳐 개발된 프로세서인 POWER4 CPU를 출시했다. 불가능을 달성하기 위한 노력은 원격 협업과 젊은 엔지니어를 숙련된 엔지니어와 함께 일하도록 배정하는 방식을 통해 뒷받침되었다. 팀의 노력은 새로운 마이크로프로세서인 Power4로 성공을 거두었다. 이는 경쟁사 가격의 절반에 성능을 두 배 이상 높인 투인원 CPU였으며 컴퓨팅 분야의 주요 진전이었다. 비즈니스 잡지 eWeek는 "새로 설계된 1GHz Power4는 이전 모델에 비해 엄청난 도약을 나타낸다"라고 썼다. 업계 분석가인 Giga Information Group의 브래드 데이(Brad Day)는 "IBM이 매우 공격적으로 변하고 있으며, 이 서버는 게임 체인저이다"라고 말했다.

Power4는 "2001년 분석가 선정 최우수 워크스테이션/서버 프로세서상"을 수상했으며, 미국의 TV 쇼 Jeopardy!에서 최고의 선수들을 상대로 한 콘테스트에서 승리하는 등 주목할 만한 기록을 세웠다.[67]

인텔의 코드명 요나 CPU는 2006년 1월 6일에 출시되었으며 멀티칩 모듈에 패키징된 두 개의 다이로 제조되었다. 치열하게 경쟁하는 시장에서 AMD와 다른 회사들은 새로운 버전의 멀티 코어 CPU를 출시했는데, 2001년 애플론XP 라인의 SMP 지원 애플론 MP CPU, 썬은 8코어의 Niagara 및 Niagara 2를 출시했고, AMD의 애슬론 64 X2는 2007년 6월에 출시되었다. 회사들은 속도를 향상시키기 위한 끝없는 경쟁에 몰두했으며, 실제로 더 까다로운 소프트웨어는 더 많은 처리 능력과 더 빠른 CPU 속도를 요구했다.

2012년까지 듀얼 및 쿼드 코어 프로세서가 PC와 랩톱에서 널리 사용되었으며, 고가의 전문가급 인텔 제온과 유사하게 명령어를 병렬로 실행하는 추가 코어를 갖춘 최신 프로세서가 등장하여 소프트웨어가 고급 하드웨어를 활용하도록 설계된 경우 일반적으로 소프트웨어 성능이 향상되었다. 운영 체제는 멀티 코어 및 SMD CPU에 대한 지원을 제공했으며, 대규모 작업 부하 및 리소스 집약적인 응용 프로그램(예: 3D 게임)을 포함한 많은 소프트웨어 응용 프로그램이 멀티 코어 및 멀티 CPU 시스템을 활용하도록 프로그래밍되었다.

애플, 인텔, AMD는 현재 멀티 코어 데스크톱 및 워크스테이션 CPU 시장을 주도하고 있다. 비록 그들은 성능 계층에서 리드를 차지하기 위해 자주 서로를 뛰어넘지만 말이다. 인텔은 더 높은 주파수를 유지하여 가장 빠른 싱글 코어 성능을 보유하고 있으며,[68] 반면 AMD는 보다 발전된 ISA와 CPU가 제조되는 공정 노드 덕분에 멀티 스레드 루틴에서 종종 리더 역할을 한다.

멀티 코어/멀티 CPU 구성을 위한 다중 처리 개념은 암달의 법칙과 관련이 있다.

시장 통계

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1997년 전 세계에서 판매된 모든 CPU의 약 55%는 8비트 마이크로컨트롤러였으며, 그중 20억 개 이상이 판매되었다.[69]

2002년 전 세계에서 판매된 모든 CPU 중 32비트 이상은 10% 미만이었다. 판매된 모든 32비트 CPU 중 약 2%가 데스크톱 또는 랩톱 개인용 컴퓨터에 사용된다. 대부분의 마이크로프로세서는 가전제품, 자동차 및 컴퓨터 주변 기기와 같은 임베디드 제어 응용 분야에 사용된다. 전체적으로 볼 때 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 DSP의 평균 가격은 US$6 (equivalent to $10.49 in 2024)를 약간 넘는 수준이다.[70]

2003년에는 약 440억 달러(2003년 기준 약 75억 달러 상당) 규모의 마이크로프로세서가 제조되어 판매되었다.[71] 그 비용의 약 절반이 데스크톱 또는 랩톱 개인용 컴퓨터에 사용되는 CPU에 지출되었지만, 이는 판매된 모든 CPU의 약 2%에 불과하다.[70] 품질 조정된 랩톱 마이크로프로세서 가격은 2004~2010년에 연간 -25%에서 -35% 개선되었으며, 개선 속도는 2010~2013년에 연간 -15%에서 -25%로 둔화되었다.[72]

2008년에는 약 100억 개의 CPU가 제조되었다. 매년 생산되는 대부분의 새로운 CPU는 임베디드형이다.[73]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
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외부 링크

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