프로세서 설계(processor design)는 컴퓨터 하드웨어의 핵심 부품인 프로세서를 설계하는 일을 다루는 컴퓨터 공학 및 전자공학의 하위 분야이다. 역사적으로는 중앙 처리 장치(CPU)에 초점을 맞추었으나, 현대의 설계는 여러 개의 CPU, 그래픽 처리 장치(GPU), 신경망 처리 장치(NPU) 등의 처리 장치를 하나의 다이(die)나 칩렛(chiplet) 세트에 통합하는 시스템 온 칩(SoC) 아키텍처를 포함하는 경우가 많다.
설계 과정
프로세서 설계 과정에는 명령어 집합 구조(ISA)와 특정 실행 패러다임(예: VLIW 또는 RISC)을 선택하는 작업이 포함되며, 결과물로 VHDL이나 베릴로그(Verilog) 등의 하드웨어 기술 언어(HDL)로 기술될 수 있는 마이크로아키텍처가 도출된다. 이렇게 설계된 마이크로프로세서는 다양한 반도체 제조 공정을 사용하여 제조되며, 결과적으로 다이가 생성되어 칩 캐리어에 본딩된 후 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜되거나 소켓에 장착된다.
모든 프로세서의 작동 방식은 명령어 목록을 실행하는 것이다. 명령어는 일반적으로 프로세서 레지스터를 사용하여 데이터를 계산하거나 조작하고, 읽기/쓰기 메모리에서 값을 변경하거나 검색하고, 데이터 값 간의 관계를 테스트하고, 프로그램 흐름을 제어하는 기능을 포함한다. 프로세서 설계는 설계를 반도체 제조 공장으로 보내기 전에 하나 이상의 FPGA에서 테스트하고 검증하는 과정을 거친다.
기초 구성 요소
정보는 데이터패스(예: ALU 및 파이프라인)를 통해 전달되며, 이러한 데이터패스는 제어 장치에 의해 논리적으로 제어된다. 기억 장치 부품에는 정보를 유지하거나 특정 작업을 수행하기 위한 레지스터 파일과 캐시가 포함된다. 클럭 회로는 클럭 드라이버, PLL, 클럭 분배 네트워크를 통해 내부 리듬과 타이밍을 유지한다. 논리 회로는 프로세서 부품 대부분을 구현하는 데 사용되므로 프로세서 설계의 기초가 된다.
고성능 시장을 겨냥한 CPU는 주파수, 전력 소비, 칩 면적 목표를 달성하기 위해 맞춤형(최적화 또는 애플리케이션별) 설계가 필요할 수 있는 반면, 저성능 시장을 겨냥한 CPU는 지식 재산권(IP) 형태로 구매하여 구현 부담을 줄일 수 있다.
특수 가속기
현대 프로세서 설계는 범용 코어와 함께 특수 가속기를 통합하는 이기종 컴퓨팅(heterogeneous computing)에 점점 더 의존하고 있다. 가장 두드러진 추가 요소는 신경망 처리 장치(NPU)로, 표준 CPU보다 효율적으로 머신 러닝 연산(행렬 곱셈)을 실행하도록 특별히 설계되었다.
주요 설계 작업
CPU 설계 프로젝트에는 일반적으로 다음과 같은 주요 작업이 포함된다.
- 프로그래머가 볼 수 있는 명령어 집합 구조(ISA) 설계
- C/C++ 또는 SystemC를 이용한 구조적 연구 및 성능 모델링
- 상위 수준 합성(HLS) 또는 레지스터 전송 수준(RTL) 구현
- RTL 검증
- 속도에 결정적인 부품(캐시, 레지스터, ALU)의 회로 설계
- 논리 합성 또는 논리 게이트 수준 설계
- 정적 타이밍 분석
- 플로어플래닝, 배치 및 배선을 포함한 물리적 설계
- RTL, 게이트 수준, 트랜지스터 수준 및 물리적 수준의 표현 일치 확인
- 신호 무결성 및 칩 제조 가능성 검사
시장
프로세서가 사용되는 주요 시장으로는 범용 컴퓨팅(데스크톱, 노트북, 서버), 과학 컴퓨팅, 임베디드 설계 등이 있다. 범용 컴퓨팅 시장에서는 x86-64 ISA를 구현하는 프로세서(인텔, AMD)가 널리 사용되며, Arm 기반 프로세서는 스마트폰 시장을 장악하고 PC와 서버 시장으로 확장 중이다. RISC-V 또한 임베디드 시스템에서 채택이 증가하고 있다. 출하량 기준으로 가장 많은 CPU는 전화기, 시계, 가전제품, 차량 등에 내장되는 임베디드 프로세서이며, 연간 수십억 개 단위로 판매된다.
주요 아키텍처 혁신
주요 CPU 아키텍처 혁신에는 누산기(accumulator), 인덱스 레지스터, 범용 레지스터, CPU 캐시, 가상 메모리, 명령어 파이프라인, 슈퍼스칼라, CISC, RISC, 마이크로코드, 스택 등이 있다. 연구 주제로는 재구성 가능한 논리, 클럭리스 CPU, 연산 RAM, 광 컴퓨터 등이 제안되었다.
