ARM Cortex-A 시리즈
1. 개요
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ARM 사의 프로세서는 위의 그림과 같이 2015년경을 기점으로 고성능/중간급/고효율 이라는 3단계 라인업으로 구성이 정리된 상황이다[2]. 이는 일반적으로 언급되는 하이엔드-메인스트림-엔트리 개념으로 봐도 무방하다. 2017년 상반기 기준 고성능엔 Cortex-A73, 중간급엔 Cortex-A53, 고효율엔 Cortex-A35가 대표격인 아키텍쳐들이다. 그러나 2020년 들어 더 높은 성능을 요구함에 따라 ARM Cortex-X 시리즈가 신설된다.
Cortex-A 시리즈에 적용된 명령어셋은 ARMv7-A 부터이며, 이전 세대의 ARMv6 명령어셋 아키텍처는 ARM11 계열까지 적용되었다.
2013년에 ARMv7-A의 후속 명령어셋인 ARMv8-A이 공개되었으며 가장 큰 특징은 ARMv8-A 안에 AArch32와 AArch64라는 두 가지 서브 명령어셋이 도입되면서 AArch64를 통해 64비트 구조를 쓸 수 있게 된 점이다. 이후 대부분의 신형 Cortex-A 시리즈와 커스텀 아키텍처들은 ARMv8-A에 기반하여 활발하게 개발되고 있다. 2017년에는 엔트리급 ARMv7-A 기반 Cortex-A7도 64비트 ARMv8-A 기반 Cortex-A35에 바통을 넘겨주고 있어서 PC처럼 32비트 시대는 2~3년 내로 사장되고 있다.
미래에 차기 명령어 세트인 ARMv9로 전환이 예정되어 있다.
2. ARMv7-A
2.1. Cortex-A5
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2009년 10월에 발표된 저사양 CPU 아키텍처다. Cortex-A5는 전성비 극대화를 추구하면서 기존의 ARM11과 유사하게 싱글 파이프라인 구조를 유지했다. 그래서 성능은 ARM11보다 약간 더 좋은 정도로, ARMv7-A 명령어 셋을 지원하는 CPU 아키텍처 중에서 가장 성능이 낮지만 전력 소모율도 매우 낮다. 그래서 ARM에서는 아직도 흐르고 넘치는 100개 이상의 ARM9 내지는 ARM11 아키텍처 라이센스 취득사가 Cortex-A5를 대체재로 이용할 수 있도록 독려하고 있다.
또한 Cortex-A9처럼 멀티코어화가 가능하다. 때문에 임베디드 시스템 뿐만이 아니라 저사양 스마트폰에도 종종 탑재되고 있으며 퀄컴 역시 스냅드래곤 200에 Cortex-A5 멀티코어 CPU를 사용하는 라인업을 잡아두었다. 다만, 쿼드코어 구성이라 하더라도 성능은 옴니아 II에 들어간 ARM11을 네 개 붙여 놓은 것과 비슷하기 때문에 많은 것을 기대하기는 어렵다.
2020년 이후엔 AMD의 x86 CPU와 퀄컴의 스냅드래곤 보안 프로세서로 사용하고 있다.
2.1.1. 사양
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- 8단계 파이프라인
- 한 사이클에 1개의 명령어 디코더 (DE) - 64k
- NEON/vfp SIMD 유닛을 외장 형태로 부착 가능
- Issue 명령 분배기 1개가 모듈 2-3개로 분배
- A - ALU
- B - Load/Store - AGU
- C - Neon/vfp - 외장형 옵션
2.2. Cortex-A7
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2011년 하반기에 발표된 엔트리급 CPU 마이크로 아키텍처다. 코드네임은 Kingfisher.
전체적으로 Cortex-A5의 연장선상에서 개발된 아키텍처다. Cortex-A8이 주력이었던 시기에는 65nm, 45nm 공정이 주력 공정이었으나 Cortex-A7은 그보다 훨씬 미세한 공정에서 제조된다. 이러한 공정 미세화와 기술 진보로 인해 성능은 Cortex-A8과 비슷한 수준이지만 그 성능을 내기 위한 전력 소모는 5배 이상 적다. ARM의 목표대로 2010년에 $500 정도의 스마트폰 성능을 2013년에 $100 ~ 200 정도의 스마트폰 성능으로 만들어준 주역이다.
기본적으로 모든 유닛이 Cortex-A8과 같은 순차적 명령어 처리지만, Cortex-A9의 특징이었던 멀티코어 지원, NEON 및 L2 Cache 내장, ALU 모듈의 나눗셈 지원 등이 추가되었다.
간단한 구조와 전력 소모가 적은 설계를 기반으로 고성능 CPU 아키텍처의 자비 없는 전력 소모량을 보완하기 위한 big.LITTLE 솔루션에서 Cortex-A12와 Cortex-A15의 LITTLE 코어를 담당한다. 하지만 자체적인 성능 역시 나쁘지 않고 설계와 양산도 쉽기 때문에 Cortex-A7로 이루어진 모바일 AP도 퀄컴과 미디어텍 그리고 여러 중국산 업체를 중심으로 활성화되고 있다. 예로 Cortex-A7 기반 삼성 엑시노스 5410의 LITTLE 코어와 Cortex-A9 기반 NVIDIA Tegra 3의 성능이 비슷한 결과가 있기도 했었다.
2.2.1. 사양
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- 8단계 파이프라인 + 슈퍼스칼라
- 한 사이클에 2개의 명령어 디코더(DE) - 128k
- 명령어 발행 어레이 개수 = 1
- Issue명령 분배기 1개가 5라인(in) 파견 5개
- L2 Cache 내장
- A - ALU(in)-정수연산 덧/뺄셈
- B - ALU(in)-정수연산 덧/뺄셈+곱/나눗셈
- C - NEONvfp
- D - Dual issue-Superscalar
- E - load/store
2.3. Cortex-A8
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2005년 중반기에 발표된 첫 ARMv7-A 기반의 CPU 아키텍처이자 Cortex-A 시리즈의 첫 번째 제품이다.
이전 세대 ARMv6기반의 ARM11 아키텍처와 비교 했을 때 중요한 변경점은 2 Issue in-order 슈퍼스칼라 처리 구조가 도입된 것과, NEON SIMD가 기본으로 지원되면서 클럭당 동시 명령어 처리 능력, 클럭 당 동시 데이터 처리 능력이 향상되어 정수 및 멀티미디어 데이터, 부동 소수점 연산 능력 모두가 향상되었다.
ARM이 Texas Instruments와 같이 설계했던 첫 Cortex-A8 기반 AP인 OMAP 34XX에서 최대 클럭을 800MHz까지밖에 끌어올리지 못했기 때문에, 초기 최대 클럭은 800MHz였다. ARM에서는 800MHz가 한계라 보고 삼성전자를 만류했지만, 이후 삼성전자가 코어 커스텀을 통해서 1GHz를 돌파하고, ARM도 코어 리비전을 통해 1GHz로 끌어 올림에 따라 보편적인 최대 클럭은 1GHz가 되었다.
아키텍처가 발표된 당시에는 ARM에서 아키텍처를 발표하고 해당 아키텍처가 적용된 제품이 나올 때까지 3~4년 정도 걸렸다. 그래서 A8 코어를 적용한 제품들이 본격적으로 출시된 것은 2009-2010년이었고 옴니아 HD 같은 높은 프로세싱 능력이 필요하고 리소스 소모 역시 큰 제품에 먼저 사용되었다. 이후 애플이 아이폰 3GS에 삼성전자의 S5PC100 600MHz를 사용하면서 기존 ARM11을 사용한 옴니아 II를 눌러버렸다. 옴니아 II의 CPU 클럭은 당시에도 고클럭이었던 800MHz였지만, 체감 성능 차이는 운영체제를 차이를 감안해도 상당히 컸다.
이후 안드로이드 탑재 스마트폰들에 의해 스마트폰 시장이 급성장하기 시작하면서 Cortex-A8을 사용한 AP들이 덩달아서 활발히 출시되었고, 동 세대 비교 대상이었던 퀄컴 스냅드래곤 S1 및 S2의 Scorpion 아키텍처보다 클럭 대비 성능이 뛰어나다는 평가를 받는다.
2.3.1. 사양
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- 한 사이클에 2개의 명령어 디코더
- Issue명령 분배기에서 3개의 연산모듈로 파견
- A - ALU/MUL : 정수 연산 모듈, 덧/뺄셈 및 곱/나눗셈 지원
- B - ALU
- C - LS - 로드/스토어 모듈
2.4. Cortex-A9
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2007년 3월에 발표된 Cortex-A8의 후속작으로, 시기상으로 2년 미만의 차이밖에 없는 Cortex-A8에 비해 혁신적인 수준으로 구조가 개선되었다.
첫 번째로 멀티 코어를 기본적으로 지원하면서 최대 쿼드 코어까지 구성이 가능해지면서 모바일 분야에서도 멀티 코어를 손쉽게 구성할 수 있게 되었다. 두 번째는 비순차적 명령어 처리를 도입했다. 원래 비순차 명령어 처리 기능의 경우 전성비 측면에서 불리하여 모바일 분야를 타겟으로 한 제품으로의 도입에 부정적이었으나 결국 A9를 기점으로 도입이 성사되었다.
이 외에 L2 Cache의 도입 같은 변화점이 있다.
Cortex-A8은 아키텍처 발표부터 시장 진입까지 5년 정도 걸렸지만, A9는 4년으로 짧아졌다. 2011년 1월에 공개된 NVIDIA Tegra 2가 Cortex-A9 탑재 첫 제품이었다.
더군다나 Cortex-A9의 멀티코어 구성으로 2011년부터 본격화된 안드로이드 스마트폰 열풍은 정점을 찍게 된다. 특히 삼성전자의 엑시노스 4210을 사용한 갤럭시 S II의 성공으로 더욱 가세되었기 때문이다. 이뿐만이 아니라 Cortex-A8보다 진보한 아키텍처 구조로 클럭당 성능비도 증가했으며 멀티 코어화로 인한 성능 상승폭은 거의 코어 수에 비례하기 때문에 단순이 코어 개선의 효과보다 큰 성능 향상이 있었다.
이러한 Cortex-A9 멀티 코어에 대응하기 위해 퀄컴은 Scorpion 아키텍처를 멀티 코어화 시키고 고클럭화를 목표로 파이프라인을 늘려 1.5GHz의 클럭을 달성하지만 태생적으로 클럭 대비 성능이 Cortex-A9보다 밀리기 때문에 성능은 성능대로 놓치고 발열은 발열대로 놓쳤다. 이후 Krait 아키텍처가 나오기 전까지 퀄컴 스냅드래곤의 이미지가 하락하게 된 원흉이 되었다.
2.4.1. 사양
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- 8~11단계 파이프라인
- 한 사이클에 2개의 명령어 디코더 (DE) - 64k
- 명령어 발행 어레이 개수 = 1
- ISSUE명령 분배기 1개가 3+1라인(in) 한번에 파견은 최대 3개
- 외장 L2 Cache
- A1 - ALU(out) : 정수 연산 모듈, 덧/뺄셈 지원
- A2 - ALU(out추가) : 정수 연산 모듈, 덧/뺄셈+곱셈 지원
- B - Load/Store - AGU
- C - NEONvfp (in)
이전 Cortex-A과 ALU 유닛의 개수는 같지만 두 번째 ALU 유닛에서 정수 곱셈을 지원이 추가 되었다. 다만 이는 일종의 보조 유닛으로, Issue 분배기에서 한 번에 보낼 수 있는 파견량은 3개로써 한번에 모든 연산 모듈에 명령을 보낼 수는 없다.
이를 만회하기 위해서 비교적 대용량의 L2 Cache를 코어에 외장으로 지원하며 운영체제에서 지원이 필요하다.
2.5. Cortex-A12
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2013년 6월 2일에 발표된 ARMv7-A 기반 아키텍처.
전반적으로 Cortex-A9와 Cortex-A15의 설계를 혼용하여 전성비를 높이는데 주력한 아키텍처이다.
A15/A7==>A57/A53이라는 주력 라인업과는 다르게 좀 갑툭튀한 느낌이 있는데, 사실 32비트 기반인 이 아키텍처가 제품화될 시기인 2015년에는 64비트 메인스트림인 A57/A53기반 제품들이 출시될 시기와 겹치게 될 상황이기 때문.
그런데 A12가 적용되는 타겟 공정은 2015년 시점에서는 저가 양산 라인으로 포지션하게 될 GF와 TSMC의 28nm가 될 예정이고, 반면 A57/A53기반의 하이엔드 제품들은 20/16/14nm공정 라인에서의 생산을 목표로 하고 있다. 2015년 시점에서 생산 단가가 떨어질 대로 떨어지게 될 28nm 공정을 활용하기에 기존에 개발된 A15는 해당 공정에서 전력 소모 특성이 좋다고 말하기 힘들어 사용이 제한되고, 그것보다도 복잡한 A57은 더더욱 28nm수준에서는 부적합하다고 추정할 수 있는 상황이다. 그럴 경우 28nm 공정에 적용할 만한 제품은 저성능의 A7/A9/A53로 한정되면서 중간급 라인업이 비어버리는 문제가 생긴다. 즉 원래는 시기적으로 A15가 미들 레인지로 내려오면서 채워 넣었어야 하는 부분을 A12가 대신 채워 넣어야 하는 상황이 된 것.
Cortex-A9와 비교했을 때 명령 디코더가 3개로 늘어났고, Cortex-A9가 정수 연산 부분에서 부분적으로 비 순차적 명령어 처리를 한 것에 반해서 Cortex-A12는 모든 연산 유닛이 비 순차적 처리를 지원한다. 또한 외장으로 Cortex-A53의 분기 예측기(Branch Predictor)를 도입하고 ALU 모듈에서 나눗셈을 지원, L2 Cache의 내장화 같은 개선점이 있다.
또한 미드레인지 라인업이지만, Cortex-A15와 같이 Cortex-A7 아키텍처와 조합해서 big.LITTLE을 지원한다고 한다.
전반적인 성능은 퀄컴 Krait와 애플의 Swift와 비슷할 것으로 예측되고 있다. 구조적으로는 Cortex-A15의 요소들을 최소한으로 잘라내어 Cortex-A9에 적용한 것으로 추측된다.
2014년 10월 1일 ARM 공식 홈페이지에서 Cortex-A12가 Cortex-A17로 통합되었다고 발표했다
2.5.1. 사양
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- 10~12단계 파이프라인
- 한 사이클에 2개의 명령어 디코더(DE) - 128k
- 명령어 발행 어레이(Rename & Dispatch) = 2
- ISSUE명령 분배기 3개가[3] 각 2라인씩 총6라인 파견6개
- 내장 L2 Cache
- A1- ALU(out) : 정수 연산 모듈, 덧/뺄/곱셈 + 나눗셈 지원
- A2- ALU(out) : 정수 연산 모듈, 덧/뺄/곱셈 + 나눗셈 지원
- B1- load/store(out) - AGU
- B2- load/store(out)
- C1- NEONvfp (out)
- C2- NEONvfp (out)
2.6. Cortex-A15
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2010년 9월에 발표된 Cortex-A9의 후속작이다. 코드네임은 Eagle. 발표 시기를 보면 Cortex-A7과 Cortex-A17보다도 빠르지만 성능은 ARMv7-A기반의 모든 아키텍처 중에서 가장 높다. 사실, 이후에 발표된 Cortex-A17은 Cortex-A15의 성능을 유지하면서 전성비를 극대화한 아키텍처라 보면 된다.
전작인 Cortex-A9보다 향상된 ALU 유닛과 배수만을 따로 처리하는 ALU를 추가했고, 분기 예측기 연산 모듈을 내장했다. 또한 모든 유닛에 비 순차 처리 방식 도입을 하는 등 ARMv7-A 기반의 아키텍처가 보여줄 수 있는 최대한의 성능을 보여준다. 때문에 처리 능력에서는 코어 초기형 수준 x86 기반의 아키텍처들과도 견줄 수 있는 수준이다.
문제는, ARM이 추구하던 '''저전력 코어로서의 이점을 상당히 잃었다'''는 것인데...
내부 구조상 성능을 올릴 수 있는 모든 것을 때려 넣은 구조이기 때문에 이전의 ARM이 출시한 그 어떤 CPU 아키텍처보다 '''자비없는 발열'''과 '''이성을 잃은 전력 소모율'''을 보여준다. 때문에 크레이트 같은 모바일 지향으로 설계된 아키텍처에 비해 발열 문제를 처리하기 어려운 아키텍처가 되어버렸다. 32nm 공정에서는 듀얼 코어의 엑시노스 5250 정도가 태블릿 전용으로 탑재되었고, 2013년에 28nm 공정을 사용한 5410에 와서야 스마트폰에 탑재하는 데 성공. 다만 전력 소모는 경쟁 제품 대비 압도적인 모습을 보여주지는 못하고 있다.
다만 이러한 상황은 ARM 사가 A15의 포지션을 모바일뿐만 아니라 서버 영역까지 확장하면서 벌어진 것이며 ARM은 이 문제를 해결하기 위해서 모바일 영역에서는 big.LITTLE 방식을 도입하게 되었다. big.LITTLE은 서로 다른 종류의 CPU 코어를 한 시스템에서 제어해야 하고, 기존에는 잘 사용하지 않았던 새로운 형태의 멀티 프로세싱 모델이었다. 이 구조를 제대로 사용하려면 하드웨어 구성뿐만 아니라 운영 체제 커널에서도 작업을 효율적으로 분배해 주어야 했다. 커널 지원은 2013년 말경에 마무리 되었고 실제 출시된 제품에 적용될 정도로 안정화된 것은 2014년 중반이다.
2.6.1. 사양
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- 정수-15 / 부동 소수점- 17~25단계 파이프라인
- 한 사이클에 3개의 명령어 디코더 - 128k
- 명령어 발행 어레이 개수 = 5
- Issue명령 분배기 5개가 각 1~2개씩 총 8라인
- 내장 L2 Cache 통합, 분배식 입력
- A1 - 정수연산(덧/뺄셈)(out)
- A2 - 정수연산(덧/뺄셈)(out)
- B - 정수 연산(곱/나눗샘)(out)
- C1 - NEONvfp (out)
- C2 - NEONvfp (out)
- D - branch(분기 예측)
- E1 - load/store
- E2 - load/store
기본적인 ALU의 성능이 강화되었고 곱셈과 나눗셈 전용의 ALU가 추가되었다. 또한 모든 연산 유닛의 비 순차적 처리 지원과 분기 예측기(Branch Predictor)를 내장하고 있다.
L2 Cache를 ARMv7-A 명령어셋 기반 Cortex-A 시리즈 중 최초로 아키텍처 안에 내장하였으며 통합된 하나의 거대 L2 Cache는 각 코어로부터 직접적으로 리소스를 주고 받을 수 있다. 이는 Cortex-A9에서 아키텍처와 외장 L2 Cache가 컨트롤러를 통해 한 단계 연결되었던 설계에 비해서 개선된 구조이다.
2.7. Cortex-A17
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2014년 2월에 발표된 A 라인업 중 마지막 32비트 기반 ARMv7-A 프로세서이다.
라인업의 이름으로는 Cortex-A15의 상위 라인업인데 정작 A17은 A12의 리네이밍 제품으로[4] 제품 스케일 등은 오히려 Cortex-A15보다도 작다고 한다. 다만 아키텍처 설계 최적화가 잘되어서 성능은 A15와도 비슷한 수준이라고. Cortex-A15와 마찬가지로 Cortex-A7 아키텍처와 조합해서 big.LITTLE을 지원한다고 한다. 전체적인 성능은 Cortex A9보다 60% 향상.
과거 하이엔드 프로세서였던 Cortex-A15는 초기 양산이 힘들었기 때문에 이 문제를 극복하지 못한 SoC 제작사들은 Cortex-A15를 포기하고 다른 방법을 찾았다. Cortex-A9 R4 같은 기존 프로세서의 최신 리비전 버전을 사용하거나 Cortex-A7을 쿼드코어 2모듈 구조로 8코어까지 묶는 등 여러 가지 방법으로 문제점을 우회했다. A15의 양산과 보급을 성공적으로 한 업체는 겨우 삼성전자와 엔비디아뿐이며 그나마 엔비디아는 AP 업계 내 지위가 미약하기 때문에 결국 사실상 삼성전자가 유일하게 된 상황이다. 결과적으로 Cortex-A15를 제대로 채택한 업체는 거의 없다.
출시 초기에는 64비트 지원의 ARMv8-A로 시장의 하이엔드 주력이 넘어가는 2014~2015년도 시점에서 미들레인지 정도의 성능으로 시장 포지셔닝이 가능할 것으로 예상되었다. Cortex-A15는 양산 문제가 있었고 새로 기획된 ARMv8-A 기반 Cortex-A57 프로세서도 이 문제를 피해갈 수는 없었다고 보았기 때문에 미들레인지 용으로 기존 A15로는 부족하다고 판단했다. 그래서 Cortex-A17은 Cortex-A57을 준비하는 단계에서 사용할 Plan-B 라인업이라고도 볼 수 있다.
하지만 시장 상황은 2014년부터 빠르게 64비트로 전환되었고, Cortex-A17은 초기에 예상한 것과는 달리 입지가 더 좁아졌다. 2014년도 기준으로 64비트 구조의 Cortex-A53이 오히려 하이엔드인 Cortex-A57보다도 더욱 공격적으로 시장에 진입하면서 엔트리급에서 미들레인지, 심지어는 일부 하이엔드 영역까지 Cortex-A53의 고클럭 버전이 선점해 버리는 기염을 토하는 상황이 벌어졌기 때문이다.
Cortex-A17 아키텍처가 적용되어 시장에 첫 출시된 제품은 미디어텍의 MT6595로 Cortex-A7과 ARM big.LITTLE 솔루션으로 구성되었다.
2.7.1. 사양
3. ARMv8-A
ARMv8은 ARM의 64비트 명령어 집합이다.
성능은 매우 크게 향상되어서 후기형 빅칩에 경우 데스크탑에서 사용되는 CPU와 비교될 정도로 성능 향상폭이 컸다.
그러나 ARMv8.1, v8.2, v8.3, v8.4, v8.5, v8.6 등 심각한 파편화로 일부 명령어 집합(8.5, 8.6)은 사용되지도 못했다. 이 때문에 이 모두를 포함한 ARMv9-A가 개발된다.
3.1. Cortex-A30 시리즈
3.1.1. Cortex-A32
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2016년 2월 22일에 발표된 Cortex-A 라인업 중 가장 최신의 프로세서이다. ARMv8-A 명령어셋을 내장하였으나 특이하게도 AArch32만 지원하고 AArch64는 지원하지 않는다. 즉 64비트 프로세서가 아니다.
64비트를 포기한 프로세서답게 Cortex-A 라인업 중에서 최고의 전성비를 자랑하며 MCU급의 소형 임베디드 분야 중 고스펙 OS, 즉 리눅스나 안드로이드, 윈도우즈 등이 필요한 시장을 타겟으로 삼고 있다.
3.1.1.1. 성능[5]
대체로 전세대의 Cortex-A5 대비 30% 이상, Cortex-A7과 비교해도 5~25% 높은 성능을 보여주며 제작사의 주장으로는 10년 전의 Cortex-A9와 유사한 성능이라고 한다. 위의 그림에서 스트리밍과 암/복호화에서 5배수 이상의 성능향상을 보여주는 것은 NEON SIMD 유닛의 성능 향상과 전용 암/복호화 명령어셋-하드웨어에 의한 것임을 상기할 필요가 있다.
전성비 역시 Cortex-A5와 Cortex-A7 대비 각각 30%와 25% 이상 향상된 것으로 알려졌다.
3.1.2. Cortex-A35
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ARMv8-A 명령어셋 기반 CPU이며 Cortex-A5와 A7의 포지션을 잇는 후속작이다. 코드네임은 Artemis. 해당 제품의 등장으로 LITTLE 치고는 성능이 지나치게 좋은 Cortex-A53이 미들레인지로 자리매김 하게 되었다.
현존 64비트 ARM 프로세서 중 전성비가 가장 높음과 동시에 다이 면적을 축소하여 비용을 절감시킨 프로세서이며 ARM 사의 주장에 따르면 28nm 공정 기준 '''90mW'''로 1GHz까지도 가능하다고 한다. 동시대의 다른 프로세서와 비교하면 ARM Cortex-A57 2.1GHz(14LPE)가 풀 로드 시 코어당 1.3W의 전력 소모, Cortex-A72 2.3GHz(16FF+)가 1.5W의 전력 소모, Cortex-A53@1.5GHz가 14nm 공정에서 200mW의 전력 소모를 보여준다. A57이나 A72는 물론, 그동안 리틀 코어를 담당했던 A53에 비해서도 매우 전성비가 좋은 편이다. 물론 이는 폴락의 법칙과도 관련 있는 부분이기도 하지만...
Cortex-A53과 ARM big.LITTLE 솔루션으로 구성이 가능하다. A72와도 가능한 모양.
참고로 해당 IP를 처음으로 탑재한 AP는 Helio X30.
3.1.2.1. 사양
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Cortex-A7 대비 개선점은
- 효율성 극대화를 위해 명령어 페치 유닛 재설계.
- 메모리 스트리밍 퍼포먼스에서 고성능 L1, L2 메모리 서브시스템 결과 최대 3.75배의 향상.
- 지역 고효율 NEON, 부동 소수점 파이프라인으로 부동 소수점과 DSP 작업 성능 향상
- 새로운 전력 관리 기술 지원
두 번째 사진에서 알 수 있듯이 엄청나게 유연한 설계가 가능하다. 28nm 쿼드 코어 구성에서 10배 더 작은 싱글 코어 구성까지 가능한 정도.
3.2. Cortex-A50 시리즈
3.2.1. Cortex-A53
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프랑스 소피아랩에서 개발된 저전력 프로세서.
원래는 ARMv8-A 명령어셋 기반의 CPU로 Cortex-A57/72와 ARM big.LITTLE 솔루션의 LITTLE 역할을 담당하도록 구성하거나 단독으로도 사용 가능하도록 기획된 제품으로 발표 초기에는 ARM 역사상 최강이자 최초의 64비트 프로세서가 될 예정이었던 Cortex-A57의 들러리 정도로 생각된 CPU였다.
따라서 관련 업계는 A53을 단독 솔루션으로는 크게 생각 안하는 분위기에서 64비트에 관심있는 업체들은 A57을 위주로 제품전략을 짜고 중저가 라인업의 업체들은 64비트의 본격적인 도입 시기는 2015년이나 될 걸로 예상하고 그냥 기존에 써먹었던 A9나 A7을 재탕하거나 새로 나온 A17 정도에 관심을 두면서 다가오는 2014년도의 제품 라인업을 구상하고 있을 즈음...
애플이 2013년 9월 느닷없이 64비트 기반 ARM CPU가 모바일 사상 최초로 탑재된 아이폰 5s를 시장에 냅다 투척했다!
갑자기 로드맵상으로 1년이 앞당겨진 64비트 시대 도래에 당황한 업계와 업체들은 그동안 개발해 왔던 로드맵들을 갈아엎기 시작하면서 대안을 찾아 헤메기 시작하게 되고, 대안용 64비트를 찾기 시작하자마자 눈에 들어오는 게 LITTLE 컨셉으로 만들어져서 가격도 착하고 구조도 간단해서 바로 적용하기 쉬운 데다가 이미 설계가 완비된 Cortex-A53.
그런데 일단 급하게 도입한 아키텍처라서 처음에는 다분히 땜빵용으로 기획되기는 하였으나 태생적으로 중급형 수준까지도 일부 커버하는 것을 목표로 했던 아키텍처였고 여기에 저전력설계가 아닌 고성능설계를 적용해서 클럭까지 2GHz수준으로 올려버린 결과... 중급형 일부뿐만이 아니라 중급형 전체를 아우를 수 있는 실력을 발휘하게 된다. 즉 고성능설계의 A57을 big으로 박고 저전력설계의 A53을 LITTLE로 박은 옥타코어 구성이 유행하게 된 것. 대표적으로 퀄컴 스냅드래곤 808 MSM8992, 퀄컴 스냅드래곤 810 MSM8994, 삼성 엑시노스 7 Octa(5433, 7420) 등이 있다.
또한, 자체적인 성능 역시 중급형 CPU로 충분하기에 중급형 AP에 탑재되는 경우도 있다. 대표적으로 퀄컴 스냅드래곤 410 MSM8916, 퀄컴 스냅드래곤 615 MSM8939, 미디어텍 MT6795, 삼성 엑시노스 7580 등이 있다.
화웨이의 Krin920은 A53의 클럭을 2.0GHz까지 올리고서는 A53e라는 자체 코드명을 내세웠다.
가장 많이 사용되는 모바일 CPU 벤치마크인 GeekBench의 성능을 기준으로 A53의 성능은 1GHz내외의 저클럭 에서는 A7보다 살짝 높고, A9와 동급의 클럭당 성능을 보여준다.[6] 다만 클럭을 높임에 따라서, Krait이나 A15와 비슷한 성능비를 보여줄 만큼 클럭에 따른 성능 차이가 크다.
참고로 기린 950 벤치마크의 측정된 전력 소모량에서 보여준 결과로는 28nm HPC + 2.0GHz가 570mW를, 1.5GHz가 350mW를 소비한다. 또 28nm HPM + 1.7GHz에선 400mW, 20nm SoC + 1.6GHz는 470mW[7], TSMC의 16nm FF+ 공정에서 1.8GHz가 164mW를 소비한다.
라즈베리파이 3B+에 탑재되었다.
소니 워크맨 NW-A100에 탑재되었다.[8]
3.2.2. Cortex-A55
Cortex A53의 후속으로 코드네임 Ananke, 2017년 5월에 공개되었다. Cortex A75와 세트로 ARMv8.2-A 명령어 세트를 지원한다.
일반적인 내부 구성은 A53과 같은 듀얼 Issue, in-order, 8단계의 파이프라인 스테이지를 가지고 있지만, AGU의 Load/Store가 2분리되었다.
또한 개선된 캐시구조와 최적화로 정수는 18%, 부동 소수점은 20%, 메모리 점수는 200% 상승하였으며 대표적인 CPU벤치마크인 Geekbench 기준 21%의 성능 상승이 있다고 한다.
또한 자사의 DynamIQ를 지원하는 최초의 CPU이며, Cortex A55자체만으로 최대 8개의 코어를 1개의 클러스터에 묶을 수 있는 등 많은 개선점이 있다.
엑시노스 850과, 유니SOC(스프레드트럼) SC9863A에 적용되었다.
3.2.3. Cortex-A57
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ARMv8-A 명령어셋 기반의 CPU로 코드네임은 Atlas. Cortex-A53과 ARM big.LITTLE 솔루션으로 구성이 가능하다. 대표적으로 퀄컴 스냅드래곤 808 MSM8992, '''퀄컴 스냅드래곤 810 MSM8994''', 삼성 엑시노스 7 Octa 5433, 삼성 엑시노스 7 Octa 7420 등이 있다.
하지만 해당 코어가 탑재된 퀄컴 스냅드래곤 810 MSM8994가 '''화룡810 사건으로 회자되는 전대미문 수준의 발열 문제'''를 일으켰고, 삼성전자는 이 코어의 최적화를 위해서 '''최적의 전성비를 낼 수 있는 세팅을 직접 일일이 찾아서 엑시노스 7 Octa 5433을 내놓았다'''고 주장했으며, 삼성과 퀄컴 이외에는 이 코어를 탑재한 AP를 만든 제조사가 없다는 점, 또한 ARM Holdings가 유달리 빨리 Cortex-A72를 준비했으며, 또한 Cortex-A72가 조기 공개되자 삼성과 퀄컴 이외에도 미디어텍과 다른 유수의 제조사들이 Cortex-A72의 탑재에 적극적으로 나섰다는 점을 이유로 들어서 스냅드래곤 810의 발열과 성능저하 문제는 퀄컴의 커스텀과 TSMC 20nm SoC 생산공정 최적화 단계 차원의 문제가 아니고 '''Cortex-A57 코어 자체에 기본적인 결함이 존재하는 것'''을 의심하는 주장이 존재한다.
여담으로 28nm Cortex-A15와 20nm Cortex-A57의 전력 소모량은 비슷하다.
3.2.4. 공통사양
- 64비트 지원(AArch64)
- 32비트 ARMv7-A 명령어와 100% 하위호환
- TrustZone® 보안 기술
- NEON™ Advanced SIMD
- DSP & SIMD 확장
- VFPv4 부동소숫점 연산
- 하드웨어 가상화 지원
3.2.5. 성능
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Cortex-A53은 전체적으로 Cortex-A9와 비슷하거나 향상된 성능을 보이며 Cortex-A57은 Cortex-A53의 약 1.5배에서 2배의 성능을 보인다.
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Cortex-A57 프로세서와 Cortex-A15 프로세서의 비교 그래프.
3.3. Cortex-A70 시리즈
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A70 시리즈 성능 향상 비교표
3.3.1. Cortex-A72
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2015년 2월 5일에 공개된 ARM Cortex-A 시리즈의 차세대 고성능 CPU이다. ARMv8-A 명령어셋 기반의 CPU로 Cortex-A53과 ARM big.LITTLE 솔루션으로 구성이 가능하다. 코드네임 Maia.
기본적으로 2014년 말에 첫 제품이 양산된 Cortex-A57의 최적화 혹은 업그레이드 제품으로 분류할 수 있으며 기본적인 구조는 대동소이한 것으로 알려져 있다. 통상 ARM제품의 개발주기는 아키텍처 발표 후 3년 정도 후에 초기 제품이 출시되는 패턴으로 2012년에 발표된 Cortex-A57의 실제품 양산은 2014년 말이라서 이러한 주기와 잘 일치하였으나 Cortex-A72는 그러한 관례를 깬 첫 제품으로 이후 출시되는 IP들은 거진 당해에 시제품이 출시된다. 성능상으로도 개발사 주장에 따르면 20% 정도 향상되었다고 한다.
특이하게도 Cortex-A57이 TSMC의 20nm 공정과 삼성S.LSI의 14nm LPE 공정을 지원[9]했던 데 비해 보다 신형인 Cortex-A72는 최신형의 TSMC 16nmFF+ 공정뿐만 아니라 구형인 TSMC 28nm공정을 지원하는 상식 밖의 행보를 보여주었다. 이는 이전 Cortex A57이 64bit를 지원하는 첫 IP였지만, Cortex A15와 같이 기존의 ARM설계보다 대폭 증가된 트랜지스터의 수로 인하여 중/소형 업체들의 채택률이 낮았다는 것에 기인하여, 양산의 용이성을 높이러는 이유에서이다.
하지만 이러한 결단 덕분에 상대적으로 저렴한 28nm 공정에서 제조되는 미들레인지 AP 제품군에서도 Cortex-A72 쿼드 구성이라는 준 하이엔드급 구성이 가능해지면서 Cortex-A72의 시장 입지가 크게 넓어졌다.
성능 자체도 16nmFF+에서 생산되는 제품은 강력한 클럭으로 인해 하이엔드-플래그쉽으로서의 역할을 충분히 감당할 수 있는 상황인지라 커스텀 아키텍처를 개발할 여력이 되는 퀄컴이나 삼성 같은 대규모 Tier-1급 AP 개발 업체가 아닌 하이실리콘, 미디어텍, LG 등과 같은 업체들의 경우 하이엔드 영역의 AP개발을 가능케 해 주는 여러모로 필수요소 같은 존재다.
라즈베리파이 4에 탑재되었다.
3.3.1.1. 성능
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ARM의 발표에 의하면, Cortex-A57 대비 동클럭당 약 23%, Cortex-A15의 약 3.5배의 성능을 보여준다고 한다.
클럭을 정규화했을 경우의 성능 비율은 각각 1.0:1.5:1.8:2.2 [10]
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일반연산에서 16%, 암호화에서 38%, 메모리I/O에서 50%, 실수연산 26%, 정수연산에서 16% 향상되었다고 발표되었으며 전반적으로 23% 향상이라는 위의 내용과 대체로 일치한다.
3.3.2. Cortex-A73
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Cortex-A72의 후속 모델로 발표되었으나, 태생적으로 A57 - A72의 계보를 잇는 ARM의 오스틴 연구소의 결과물이 아니라 이전 A12 - A17의 계보를 잇는 프랑스 소피아 설계팀의 작품이다. 코드네임은 Artemis.
특징으로는 이전 Cortex A72는 A57의 원형을 유지하며 양산성을 높인 형태라면, A73은 최대한의 컴팩트함을 추구한 최적화 버전이다. 이전 A15/57에서 19스테이지까지 올라간 파이프라인을 A72에서는 16 스테이지까지 낮췄으나 컴팩트 버전의 A73에서는 11스테이지 까지 스테이지의 깊이를 낮추었다. LITTLE 코어로 사용되는 상대적으로 저전력인 Cortex A53이 8개 스테이지의 파이프라인을 가지고 있다는 것과 비교하면 상당한 최적화가 이루어진 것으로 추정된다.
하지만 Cortex A72와 비교했을 때 절대적 성능은 크게 오르지 않았다.[11]
퀄컴 스냅드래곤 835에 사용되는 Kryo 280이 해당 아키텍쳐를 약간 커스텀해 만들어졌다.
3.3.2.1. 성능
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A73은 A72의 개선된 버전이며 면적당 성능비가 40% 향상되고 20%이상 전력효율이 증가하였으며 10nm공정에 최적화 되어있다고 발표했다.
3.3.3. Cortex-A75
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ARM의 첫 ARM v8.2명령어를 지원하는 CPU이다. 같은 공정일 때 A73 대비 20% 내외의 성능 향상이 있으며, 10nm 공정에서 최대 3GHz가 가능해 더 높은 클럭의 AP를 만들 수 있다. 이는 이전 A73의 낮은 성능 향상폭으로 인한 갈증을 어느정도 채워주는 수준. 코드네임은 Prometheus.
이보다 흥미로운 건 DynamIQ 기술이 가능한 첫 프로세서이다. DynamIQ는 big.LITTLE의 후속기술이며 다양한 목적의 코어를 하나로 묶어 더 효율적으로 사용할 수 있다. 기존 빅리틀은 고성능, 저성능 2가지를 묶는 방식이지만, 다이나믹을 이용한다면 고성능, 중성능, 저성능의 조합이 가능해진다. 또한 1+7, 2+6, 4+4 등 다양하게 코어 갯수를 설계할 수 있으며 향후의 ARM v8.2 명령어를 탑재한 IP들에 호환된다. 다만 삼성에서 기존 DynamlQ의 지원이 불가능한 ARMv8.1의 코어들로 2+6 구조의 AP를 생산하는 것을 보면, DynamlQ 없이도 복잡한 방법으로 비슷하게 구현은 할 수 있던 것으로 추정된다.[12]
다만 A73까진 L2캐시가 공용이고, CCI가 Cache coherency를 보장했던것과 달리 L3캐시가 공용이 되면서 코어 클러스터의 크기가 커지는 문제가 생겼다. 이에 따라 플래그십 스마트폰을 위한 고성능 AP개발이 아닌, 차량용 반도체나 저가 반도체에 사용하기에 단가가 높아진다는 단점으로 작용하게 되었다.
3.3.4. Cortex-A76
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Cortex-A73, Cortex-A75에 비해 최대 성능은 35% 향상되었으며, 40% 정도 전력 효율이 개선되었다. 그리고 SIMD/부동 소수점 연산 파이프 라인이 향상돼 부동소수점 연산 성능이 35% 이상 개선됐다. 이외에 머신 러닝 성능 4배 개선됐고, 메모리 대역폭이 90% 정도 확장됐다. 코드네임은 Enyo.
3.3.5. Cortex-A77
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같은 공정의 Cortex-A76 대비 최대 성능이 20% 향상되었다. 코드네임은 Deimos.
3.3.6. Cortex-A78
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5nm 공정을 타겟으로 개발된 ARMv8 아키텍처의 마지막 레퍼런스 프로세서. 코드네임은 Hercules.
성능은 동일 클럭 기준으로 Cortex-A77 대비 8% 상승하였다.
3.3.6.1. Cortex-A78C
Qualcomm의 요청에 의해 A78을 기반으로 노트북, 클램쉘, 패드 제품을 위해 커스텀된 고성능 코어, 이후 ARM Cortex-X 시리즈 이어지게 된다. #. 코드네임은 Hera Prime.
4. ARMv9-A
ARMv8 ISA가 ARMv8.6-A까지 발전하는 와중에, 실제 개발된 ARM의 레퍼런스 코어는 ARMv8.2-A만 존재하며, 커스텀의 경우에도 애플만이 ARMv8.4-A를 구현하고 있는 상황이었다. 이에 차세대 ISA인 ARMv9에서는 ARMv8.6까지 개발된 기능들을 모두 구현하며, 보안 능력과 딥러닝 연산 능력의 강화에 집중하고 있다.
4.1. Matterhorn
ARMv9 아키텍쳐를 지원하는 첫 레퍼런스 코어.
A78 대비 5% 성능 향상이 있다.
4.2. Klein
ARMv9 아키텍쳐를 지원하는 첫 저전력 레퍼런스 코어.
4.3. Makalu
A75를 기반으로 제작된 ARMv9 레퍼런스 코어.
[1] #[2] 굳이 언급하자면 ARM사의 Cortex-A 제품의 3단계 라인업은 사전에 설정된 라인업이라기 보다는 사후 정리에 가깝다. 예를 들어 Cortex-A9의 출시 시점에서는 아예 3단계 구분이 가능할 만큼 제품의 종류가 많지 않아서 Cortex-A9가 올라운드 플레이를 해야하는 상황이었고, Cortex-A7과 Cortex-A15의 빅-리틀 페어가 출현하는 시점에서는 오히려 빅과 리틀이라는 2단계 구분법이 더 합리적이더라는 측면도 있었기 때문. [3] 밑에서 각 A,B,C로 지칭[4] 2014년 10월 1일 ARM 홈페이지에서 공식적으로 Cortex-A12를 Cortex-A17 라인으로 편입시켰다.[5] #[6] 큰 차이가 없는 성능이기는 하지만, 엑시노스 5430 vs 5433을 비교해보면, 쿼드코어 기준 A53은 A7 대비 거의 2배의 전력소비가 있다. http://www.anandtech.com/show/8718/the-samsung-galaxy-note-4-exynos-review/4[7] 스냅드래곤 810...[8] 자체 커스텀 모델로 보이며 a53 쿼드코어 1.2~ 1.8ghz 로 동작한다. 다만, 테스트 기기의 버벅임 때문에 최적화 논란이 일고 있는 상황[9] 참고로 삼성 S.LSI의 14nm 공정 지원은 삼성측의 독자 지원에 가깝다. 파운드리 업계에서의 레퍼런스로서의 위상은 TSMC가 여전히 절대적이라서 ARM사가 TSMC 측의 공정을 레퍼런스로 메크로 설계를 우선 지원하는 것이 이상한 일이 아니다.[10] 한 쪽은 공정 20나노/2.0Ghz, 다른 쪽은 14나노, 16나노/2.3Ghz이다.[11] 시제품에서 IPC상승은 10% 정도[12] 이전 미디어텍의 10코어 AP도 big.LITTLE의 구현의 중심에 있는 캐쉬 동기화 기능을 하는 CCI파트를 커스텀으로 구현하였다.