ARM 이해하기

궁금증의 발단

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“x86_64? arm64?”

“ARM 기반 애플의 SoC 를 이해하기 위한 간단 배경지식”

저는 상식으로 이런 내용들을 이해해가는 과정이 너무 재미있더라구요 :)

 

ARM 이란?

ARM 은 ARM 아키텍처를 설계하는 영국 소재의 팹리스 회사다. ( 현재 NVIDIA 의 인수 절차 진행 중 )

동시에 ARM Holdings 에서 설계하는 명령어 집합의 총칭이다.

* ARM은 타사에 라이센스를 제공해서 받은 로열티로 수익을 낸다

대표적인 상품으로 스마트폰 등의 모바일 디바이스의 AP 로 사용되는 Cortex 아키텍처 등이 있다.

애플은 아이폰6s 이후부터 ARM 의 명령어셋 라이센스를 취득해 ARM 호환 CPU 아키텍처를 직접 설계하여 사용하고 있다.

 

IDM, 팹리스, 파운드리

반도체 제조업체는 크게 3가지 종류가 있다:

IDM( 종합 반도체 회사, Integrated Device Manufacturer)

반도체 개발과 설계 제조까지 모두 할 수 있는 회사

IDM 의 경우 팹리스와 파운드리 사업을 따로 운영하는 경우도 많다

대표기업 : 인텔, 삼성전자

 

팹리스 ( Fabless )

반도체 생산의 주 원료인 실리콘 웨이퍼를 만드는 공장을 Fab ( Fabrication facility) 라고 한다.

자체적으로 이 ‘팹’ 을 보유하지 않고 반도체 개발과 설계만 하고 파운드리 회사에 위탁생산을 하는 회사를 팹리스 라고 한다.

대표기업 : NVIDIA, 애플, 미디어텍

 

파운드리 ( 반도체 위탁 생산 )

반도체 위탁 생산을 전문으로 하는 회사

대표기업 : TSMC

 

명령어 집합

명령어 집합은 소프트웨어와 하드웨어 사이의 약속이다.

여러 명령어들을 정의하고 있다.

• 예를 들어 A라는 명령어를 실행하면 시스템의 상태가 어떻게 변하는지 정의한다.

 

명령어는 이진수 코드의 조합으로, 프로세서가 이 명령어를 실행하면 레지스터에 저장된 정보와 같은 시스템의 상태가 바뀐다.

• 컴퓨터의 상태를 저장하는 요소는 메모리이고, 레지스터는 메모리 중 최상위 계층의 메모리이다.
• 참고할만한 글

 

컴퓨터 구조 수업이 아니므로 간단하게만..

• CISC : 복잡한 명령어 집합을 가지는 CPU 아키텍처이다. 복잡하고 길이가 가변적이기 때문에 코드 집적도를 높일 수 있고, 생산성이 크다. 파이프라이닝이 힘들다는 단점 등이 있다.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) : CISC 명령어 집합이 가지는 문제점을 해결하기 위해 등장하였다. 일정하고 단순한 명령어들의 조합으로 명령어 해석기가 크게 단순화되었고 파이프라이닝이 수월해졌다.
• ARM64 는 대표적인 RISC 이다.

UC 버클리에서 개발 중인 RISC-V 는 새로운 CPU 구조로서 ARM 의 대항마가 될 것이라고 한다.

 

빌드의 결과물

우리는 타겟을 빌드하면 바이너리가 생성되는 것을 안다.

더 정확히는 실행 가능한 기계어 (Executable) 가 생성된다.

Executable 은 기계어 해석의 주체의 특성 ( x86_64 기반인지, arm64 기반인지 등)에 의해 다르게 빌드 된다.

왜 그럴까? CPU (혹은 AP) 가 사용하는 명령어 집합이 다르기 때문이다!

• M1 기반 맥의 아이폰 시뮬레이터는 arm64 명령어 집합 기반이다.
• 인텔 맥의 아이폰 시뮬레이터는 x86_64 명령어 집합 기반이다.
• 최근의 아이폰 실 기기는 모두 arm64 명령어 집합 기반이다.

 

 

결론

애플은 RISC 기반 ARM64 의 명령어 집합 라이센스를 구매해 독자적으로 설계한 칩을 사용하고, 이 기기를 대상으로 앱을 빌드하면 arm64 명령어 집합으로 구성된 Executable 이 생성된다.

 

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[참고 링크]

https://namu.wiki/w/ARM Holdings?from=ARM 홀딩스

https://ko.wikipedia.org/wiki/단일_칩_체제

https://www.mk.co.kr/news/it/view/2021/12/1204777

https://namu.wiki/w/RISC