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알파 프로세서
DEC Alpha
알파(Alpha, 원래 이름 Alpha AXP)는 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)이 개발한 64비트 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC) 명령어 집합(ISA)이다. 알파는 32비트 VAX 복잡 명령어 집합 컴퓨터(CISC)를 대체하고, 유닉스 워크스테이션 및 유사 시장을 겨냥해 경쟁력이 높은 RISC 프로세서로 설계되…
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알파(Alpha, 원래 이름 Alpha AXP)는 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)이 개발한 64비트 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC) 명령어 집합(ISA)이다. 알파는 32비트 VAX 복잡 명령어 집합 컴퓨터(CISC)를 대체하고, 유닉스 워크스테이션 및 유사 시장을 겨냥해 경쟁력이 높은 RISC 프로세서로 설계되…
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알파(Alpha, 원래 이름 Alpha AXP)는 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)이 개발한 64비트 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC) 명령어 집합(ISA)이다. 알파는 32비트 VAX 복잡 명령어 집합 컴퓨터(CISC)를 대체하고, 유닉스 워크스테이션 및 유사 시장을 겨냥해 경쟁력이 높은 RISC 프로세서로 설계되었다.
알파는 원래 DEC에서 개발하고 제조한 일련의 마이크로프로세서로 구현되었다. 이 마이크로프로세서들은 다양한 DEC 워크스테이션과 서버에서 가장 두드러지게 사용되었으며, 결과적으로 DEC의 거의 모든 중대형 라인업의 기초가 되었다. PC 폼 팩터 메인보드를 포함하여 여러 제3자 업체에서도 알파 시스템을 생산했다.
알파를 지원했던 운영체제에는 OpenVMS(이전 이름 OpenVMS AXP), Tru64 UNIX(이전 이름 DEC OSF/1 AXP 및 Digital UNIX), 윈도우 NT(NT 4.0 이후 중단, 출시 전 윈도우 2000 RC2), 리눅스(데비안, SUSE, 젠투 및 레드햇), BSD(NetBSD, OpenBSD 및 6.x 버전까지의 FreeBSD), 플랜 9, L4Ka::Pistachio 커널 등이 있다. 알파 아키텍처의 초기 개발 중에 Ultrix를 알파로 이식하는 작업이 수행되었으나, 제품으로 출시되지는 않았다.
알파 아키텍처는 1998년 DEC의 대부분과 함께 컴팩에 매각되었다. 이미 인텔 x86 고객이었던 컴팩은 출시 예정인 휴렛 팩커드/인텔 아이테니엄 아키텍처를 위해 알파를 단계적으로 폐지한다고 발표했으며, 2001년에 모든 알파 지식 재산권을 인텔에 매각하여 사실상 제품을 단종시켰다. 휴렛 팩커드는 2002년에 컴팩을 인수하여 2004년까지 기존 제품 라인의 개발을 계속했으며, 주로 기존 고객층을 대상으로 2007년 4월까지 알파 기반 시스템을 판매했다.
1980년대 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)은 VMS 운영체제를 구동하는 32비트 CISC 기반 VAX 컴퓨터로 큰 성공을 거두었다. 그럼에도 불구하고 1980년대 중반까지 회사는 새로운 RISC 기술이 CISC보다 훨씬 효율적이라는 업계의 합의에 동의했다. 이에 대응하여 많은 경쟁적인 내부 프로젝트가 시작되었고, 이는 지연과 불확실성을 초래했다.
알파는 여러 이전 프로젝트의 산물인 PRISM(Parallel Reduced Instruction Set Machine)이라는 초기 RISC 프로젝트에서 탄생했다. PRISM은 유닉스 스타일의 애플리케이션과 디지털의 기존 VAX/VMS 소프트웨어를 약간의 변환 후에 지원할 수 있는 유연한 설계로 기획되었다. MICA라는 새로운 운영체제는 공통 커널에서 Ultrix와 VAX/VMS 인터페이스를 모두 지원하여 두 플랫폼용 소프트웨어를 PRISM 아키텍처로 쉽게 이식할 수 있도록 할 예정이었다.
1985년에 시작된 PRISM 설계는 컴퓨터 시장의 변화에 대응하기 위해 개발 과정에서 계속해서 변경되었으며, 이는 도입의 긴 지연으로 이어졌다. 1987년 여름이 되어서야 마이크로프로세서 형식으로는 가장 초기의 설계 중 하나인 64비트 설계로 결정되었다. 1987년 10월, 썬 마이크로시스템즈는 새로운 SPARC 프로세서를 사용한 첫 워크스테이션인 Sun-4를 출시했다. 이는 모토로라 68020을 사용한 이전의 Sun-3 설계보다 약 3~4배 빨랐으며, DEC의 모든 유닉스 제품에 대해서도 동일한 우위를 가졌다. 계획은 다시 변경되어 PRISM은 32비트 부품으로 다시 조정되었고 유닉스 시장을 직접 겨냥했다. 이는 설계를 더욱 지연시켰다.
PRISM의 출시일이 계속 늦춰지는 것을 지켜보며 더 많은 지연 가능성에 직면하자, 팔로알토 사무소의 한 팀은 다른 RISC 프로세서를 사용하여 자체 워크스테이션을 설계하기로 결정했다. 그들은 MIPS R2000을 선택했고 90일 만에 Ultrix를 구동하는 첫 DECstation을 구축했다. 이는 회사 내에서 격렬한 논쟁을 불러일으켰고, 1988년 7월 경영진 회의에서 절정에 달했다. PRISM은 R2000보다 빠른 것으로 보였지만, R2000 기계는 PRISM보다 1년 이른 1989년 1월에 시장에 출시될 수 있었다. 이 제안이 받아들여졌을 때, PRISM의 원래 두 가지 역할 중 하나가 사라졌다. VMS PRISM을 만들기로 한 결정은 이미 이 시점에서 끝났기 때문에 남은 역할이 없었다. PRISM은 그 회의에서 취소되었다.
회의가 끝날 무렵, 밥 숩닉은 켄 올슨으로부터 RISC 칩이 미래에 VAX 라인에 위협이 될 것으로 보인다는 말을 들었다. 올슨은 숩닉에게 VAX를 미래의 RISC 시스템과 경쟁할 수 있도록 유지하기 위해 무엇을 할 수 있을지 고려해 보라고 요청했다.
이것이 "RISCy VAX" 팀의 결성으로 이어졌다. 그들은 처음에 세 가지 개념을 고려했다. 하나는 RISC와 유사한 시스템에서 실행되고 더 복잡한 VAX 명령어는 시스템 서브루틴에 맡기는 축소된 VAX 명령어 집합(ISA) 버전이었다. 다른 개념은 기존 VAX 코드를 실행 중에 자체 ISA로 번역하여 CPU 캐시에 저장하는 순수 RISC 시스템이었다. 마지막으로, 완전한 VAX ISA를 구동하는 훨씬 빠른 CISC 프로세서의 가능성이 여전히 남아 있었다. 불행히도 이러한 모든 접근 방식은 오버헤드를 유발하며 고유 RISC 코드를 실행하는 순수 RISC 기계와 경쟁할 수 없었다.
그 후 그룹은 기존 VAX 원칩 솔루션 중 하나와 고성능 요구를 위한 코프로세서로 사용되는 RISC 칩을 결합한 하이브리드 시스템을 고려했다. 이러한 연구는 시스템이 필연적으로 저성능 부품에 의해 발목을 잡힐 것이며 설득력 있는 이점을 제공하지 못할 것임을 시사했다. 이 시점에서 낸시 크로넨버그는 사람들이 구동하는 것은 VAX가 아니라 VMS이며, VMS는 인터럽트 및 메모리 페이징 모델링에 기반한 몇 가지 하드웨어 의존성만 가지고 있다는 점을 지적했다. 모델의 이러한 작은 부분들만 보존된다면 VMS를 RISC 칩으로 이식하지 못할 설득력 있는 이유가 없어 보였다. 이 개념에 대한 추가 작업은 이것이 실행 가능한 접근 방식임을 시사했다.
숩닉은 그 결과 보고서를 1989년 2월 전략 태스크포스에 가져갔다. 두 가지 질문이 제기되었다. 결과물인 RISC 설계가 유닉스 시장에서도 성능 리더가 될 수 있는가, 그리고 그 기계는 개방형 표준이어야 하는가? 그리고 그와 함께 적절한 수정을 거쳐 PRISM 아키텍처를 채택하기로 결정했다. 이것은 성공적인 CMOS CVAX 구현의 후속인 "EVAX" 개념이 되었다. 경영진이 조사 결과를 수락했을 때, 그들은 프로젝트에 "VAX"를 제거한 더 중립적인 이름을 부여하기로 결정했고 결국 알파(Alpha)로 낙점했다. 이 이름은 NVAX 기반 VAX 4000 모델의 코드명으로 사용된 "Omega"에서 영감을 받았다. "Alpha"는 새로운 라인의 시작을 의미하도록 의도되었다(알파와 오메가 참조). 직후에 새로운 아키텍처로 VMS를 이식하는 작업이 시작되었다.
알파는 고성능과 VMS 및 유닉스를 모두 실행할 수 있는 능력을 위해 설계되었다. 이진 변환은 VAX VMS 및 Ultrix MIPS 애플리케이션과의 하위 호환성을 제공한다. 이는 대부분의 기본 PRISM 개념을 구현하지만, VMS 및 VMS 프로그램이 전혀 변환 없이 합리적인 속도로 실행될 수 있도록 재조정되었다. 주요 알파 명령어 집합 설계자는 리처드 L. 사이츠와 리처드 T. 위텍이었다. PRISM의 Epicode는 알파의 PALcode로 발전하여 플랫폼 및 프로세서 구현별 기능에 대한 추상화된 인터페이스를 제공했다.
알파가 마이크로프로세서 산업에 기여한 주요 공헌과 그 성능의 주된 이유는 아키텍처 자체보다는 그 구현에 있다. 당시(그리고 지금도 마찬가지로) 마이크로칩 산업은 자동화된 설계 및 레이아웃 도구가 지배하고 있었다. 디지털의 칩 설계자들은 복잡한 VAX 아키텍처를 처리하기 위해 정교한 수동 회로 설계를 계속 추구했다. 알파 칩은 더 단순하고 깔끔한 아키텍처에 적용된 수동 회로 설계가 더 자동화된 설계 시스템으로 가능한 것보다 훨씬 높은 동작 주파수를 허용한다는 것을 보여주었다. 이 칩들은 마이크로프로세서 설계 커뮤니티 내에서 맞춤형 회로 설계의 르네상스를 일으켰다.
원래 알파 프로세서들은 DECchip 21x64 시리즈로 명명되었으며, 1990년대 중반에 "DECchip"이 "Alpha"로 대체되었다. 처음 두 자리 숫자 "21"은 21세기를 의미하고, 마지막 두 자리 "64"는 64비트를 의미한다. 알파는 처음부터 64비트로 설계되었으며 32비트 버전은 없다. 가운데 숫자는 알파 아키텍처의 세대를 나타낸다. 내부적으로 알파 프로세서는 EV 번호로도 식별되었는데, EV는 공식적으로 "Extended VAX"를 의미하지만, 웨스턴 리서치 랩의 전기 피클 실험에 대한 경의를 표하는 "Electric Vlasic"이라는 유머러스한 대체 의미도 가지고 있었다. EV 명칭의 숫자는 칩이 설계된 반도체 공정을 나타냈다. 예를 들어, EV4 프로세서는 DEC의 CMOS-4 공정을 사용했다.
1997년 5월, DEC는 인텔이 오리지널 펜티엄, 펜티엄 프로, 펜티엄 II 칩을 설계하면서 알파 특허를 침해했다고 소송을 제기했다. 화해의 일환으로 DEC의 칩 설계 및 제조 사업의 상당 부분이 인텔에 매각되었다. 여기에는 인텔이 포켓 PC에서 흔히 사용되는 XScale 프로세서로 마케팅한 DEC의 StrongARM 구현이 포함되었다. 디지털 세미컨덕터의 핵심인 알파 마이크로프로세서 그룹은 DEC에 남았고, 관련 사무실 건물들은 허드슨 팹의 일부로 인텔로 넘어갔다.
초기 몇 세대의 알파 칩들은 당시 가장 혁신적인 제품들이었다.
EV3로 명명된 사전 생산 모델은 Alpha Demonstration Unit(ADU)이라는 프로토타입 시스템에 사용되었다. ADU는 운영체제를 알파 아키텍처로 이식하는 데 사용되었다. EV3와 이후 모델의 주요 차이점 중 하나는 부동소수점 장치가 없었다는 점이다.
첫 번째 버전인 알파 21064 또는 EV4는 동작 주파수가 고전력 ECL 미니컴퓨터 및 메인프레임과 경쟁한 최초의 CMOS 마이크로프로세서이다.
두 번째인 21164 또는 EV5는 칩 내부에 대용량 보조 캐시를 배치한 최초의 마이크로프로세서이다.
세 번째인 21264 또는 EV6은 높은 동작 주파수와 더 복잡한 비순차적 명령어 처리 마이크로아키텍처를 결합한 최초의 마이크로프로세서이다.
21364 또는 EV7은 칩 내부에 메모리 컨트롤러를 탑재한 최초의 고성능 프로세서이다.
생산되지 않은 21464 또는 EV8은 동시 멀티스레딩을 포함한 최초의 제품이 될 예정이었으나, DEC가 컴팩에 매각된 후 이 버전은 취소되었다. EV9으로 불렸을 가능성이 높은 타란툴라(Tarantula) 연구 프로젝트는 벡터 프로세서 유닛을 특징으로 하는 최초의 알파 프로세서가 되었을 것이다.
DEC 내부 관계자에 따르면 프로세서에 AXP 태그를 선택한 것은 여전히 VAX 상표권 분쟁으로 곤욕을 치르고 있던 DEC 법무 부서의 결정이었다고 한다. 오랜 검색 끝에 "AXP"라는 태그가 어떤 법적 제약도 없다는 사실이 밝혀졌다. 컴퓨터 업계 내에서는 AXP라는 약어가 "Almost eXactly PRISM"(거의 정확히 PRISM)을 의미한다는 농담이 돌기도 했다.
알파는 정수 명령어에 대한 조건 코드를 갖지 않는데, 이는 조건 상태 레지스터에서의 잠재적인 병목 현상을 제거하기 위함이다. 두 수의 합이 64비트에 맞지 않는 오버플로가 발생하는 명령어는 하위 32비트 또는 64비트 결과값을 대상 레지스터에 기록한다. 올림수(carry)는 결과값과 피연산자 중 하나에 대해 부호 없는 비교를 수행하여 결과가 피연산자보다 작은지 확인하여 생성된다. 테스트가 참이면 조건를 나타내기 위해 대상 레지스터의 최하위 비트에 1을 기록한
출처: DEC 알파 (CC BY-SA)
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