AMD Am2901: 컴퓨터 성능을 혁신한 프로세서

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AMD Am2901: 컴퓨터 성능을 혁신한 프로세서

Table of Contents (차례)

소개
Am2901 프로세서의 탄생
Am2901 칩의 구조
- 3.1 레지스터 메모리
- 3.2 ALU (산술 논리 장치)
- 3.3 선택기 회로
- 3.4 캐리 전개 회로
- 3.5 출력 회로
Am2901C 칩과 ECL 로직
- 4.1 ECL과 CMOS 로직
- 4.2 Am2901C 칩의 장점
- 4.3 ECL 게이트 회로
- 4.4 ECL 회로 구현 사진
Am2901의 다양한 용도
- 5.1 미니 컴퓨터에서의 사용
- 5.2 다양한 시스템에서의 활용
Am2901을 통한 컴퓨터 설계
- 6.1 TTL 칩과 Bit-slice 프로세서
- 6.2 Bit-slice 프로세서의 장점
- 6.3 커스터마이징 가능한 명령어 세트
Am2901의 유용한 기능
- 7.1 ALU의 8가지 연산
- 7.2 빠른 캐리 전개 기법
- 7.3 하드웨어 재활용을 통한 고속 연산
Am2901의 역사적 의의
- 8.1 CMOS 기술의 발전과 비트-슬라이스 프로세서의 미래
- 8.2 현대 프로세서와의 비교
결론
자원

소개

안녕하세요! 이번에는 Am2901 프로세서에 대해 알아보려고 합니다. Am2901은 1970년대와 1980년대에 널리 사용된 프로세서로, 특히 Bit-slice 프로세서로 알려져 있습니다. 이 기사에서는 Am2901 프로세서의 탄생부터 다양한 용도, 구조, 그리고 ECL 로직에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 그럼 시작해 볼까요?

Am2901 프로세서의 탄생

Am2901 프로세서는 1975년에 AMD가 처음 소개한 칩입니다. 이 칩은 Bit-slice 프로세서라고 불리는 유형의 프로세서로, 각 칩은 4비트씩만 처리할 수 있었지만, 여러 개의 칩을 결합하여 더 큰 워드 사이즈를 만들어 낼 수 있었습니다. 이러한 방식은 당시 전체 프로세서를 하나의 고속 칩에 적재할 수 없을 때 16비트, 36비트 또는 64비트 프로세서를 만드는 데 사용되었습니다. 하나의 칩에는 여러 개의 프로세서가 있었지만, MOS 트랜지스터의 속도가 비교적 느렸기 때문에 MOS 트랜지스터보다 속도가 느린 칩이 포함되어 있었습니다. 그러다 CMOS 트랜지스터가 등장하고 속도가 충분히 증가하면서 거의 모든 제조업체가 CMOS 트랜지스터로 전환했습니다. Am2901 칩은 매우 인기가 있어서 다양한 시스템에서 사용되었습니다.

Am2901 칩의 구조

3.1 레지스터 메모리

Am2901 칩의 가장 큰 기능 블록은 중앙에 위치한 레지스터 메모리입니다. 이 칩에는 16개의 4비트 레지스터가 있으며, 메모리 배열에는 16개의 열과 4개의 행이 있습니다. 메모리 블록 왼쪽과 오른쪽에는 메모리를 읽고 쓰는 메모리 드라이버 회로가 있습니다.

3.2 ALU (산술 논리 장치)

ALU는 산술 논리 연산을 수행하는 칩의 중요한 부분입니다. 4비트 ALU의 첫 번째 섹션은 칩의 왼쪽 아래에 큰 블록으로 구성되어 있으며, 4비트 ALU이기 때문에 4개의 열이 있습니다. ALU에는 빠른 캐리 전개 기법인 캐리 전개 회로도 포함되어 있습니다. ALU는 입력 신호를 사용하여 합을 병렬로 계산하고, 출력 회로에서 처리하여 출력 핀으로 보냅니다.

3.3 선택기 회로

선택기 회로는 ALU에 입력으로 전달되는 두 가지 인자를 선택하기 위해 사용됩니다. 선택기 회로에는 D, A, Q, B, 0, 이렇게 여섯 가지 값 중 하나를 선택하는 기능이 있습니다. 선택기 회로는 ECL 게이트를 사용하여 구현됩니다.

3.4 캐리 전개 회로

캐리 전개 회로는 ALU에서 빠른 연산을 위해 사용되는 회로입니다. 아래쪽 캐리 블록은 여러 개의 칩에 걸쳐 캐리 전개를 제공하기 위해 외부 P, G 및 캐리 신호를 계산합니다. 이를 통해 더 큰 워드에 대한 빠른 덧셈이 가능해집니다. 위쪽 캐리 블록은 내부적으로 사용되는 캐리를 계산합니다.

3.5 출력 회로

출력 회로는 내부 ECL 신호를 TTL 신호로 변환하고, 4개의 출력 핀으로 출력합니다. 이 회로는 TTL 신호와 ECL 회로 간의 변환을 수행하기 위해 설계되었습니다. ECL 회로는 내부적으로 사용되지만, 칩은 TTL 전압을 외부 회로와 상호 작용하기 위해 지원합니다.

Am2901C 칩과 ECL 로직

4.1 ECL과 CMOS 로직

로직 회로는 다양한 방식으로 구성할 수 있습니다. 현재 대부분의 컴퓨터는 MOS 트랜지스터로 구성된 CMOS 로직을 사용합니다. 그러나 ECL은 더 빠른 속도로 동작하는 로직 패밀리였습니다. ECL의 단점은 높은 전력 소모량입니다. ECL이 발생하는 열을 많이 발산하기 때문에, Cray-2 슈퍼컴퓨터 등에서는 Fluorinert 냉각제로 회로를 둘러싸야 했습니다. ECL의 장점 중 대부분은 트랜지스터가 완전히 켜져 있지 않다는 사실입니다. 이로 인해 트랜지스터는 전류 경로를 매우 빨리 변경할 수 있었습니다. 또한 0과 1 간의 전압 차이가 작아 신호가 빠르게 전환될 수 있었습니다. 반면, TTL 패밀리의 전압 차이는 약 3.2V이며, 1V당 나노초 단위로 전환될 수 있습니다. 따라서 높은 전압 차이의 경우 몇 나노초의 지연이 발생했습니다. 그러나 작은 전압 차이는 ECL이 전기 잡음에 민감해지는 원인이 되었습니다.

4.2 Am2901C 칩의 장점

Am2901의 초기 버전은 TTL 로직을 사용했습니다. 그러나 1979년에 AMD는 더 빠른 버전인 Am2901C를 도입했습니다. Am2901C는 내부적으로는 ECL 로직을 사용하여 속도를 향상시켰으며, 외부에서는 TTL 전압을 지원하여 TTL 컴퓨터에서 쉽게 사용할 수 있었습니다.

4.3 ECL 게이트 회로

ECL 게이트 회로는 차이 존재하는 쌍(pair) 회로와 유사한 구조입니다. 차이 존재하는 쌍의 아이디어는 일정한 전류가 회로를 통해 흐르게 하는 것입니다. 왼쪽 입력이 오른쪽 입력보다 높은 전압인 경우, 왼쪽 트랜지스터가 켜지고 대부분의 전류가 왼쪽 분기로 흐릅니다. 반대로 왼쪽 입력이 오른쪽 입력보다 낮은 전압인 경우, 오른쪽 분기로 전류가 흐르게 됩니다. 두 트랜지스터의 에미터(emitter)는 물리적으로 연결되어 있으며, 따라서 이러한 회로를 에미터-결합 로직(ECL)이라고 부릅니다. 회로는 선택된 입력을 고정된 전압에 비교하여 "1"인지 "0"인지 구분합니다.

4.4 ECL 회로 구현 사진

아래 사진은 칩의 실리콘층과 트랜지스터, 저항기의 모습을 보여줍니다. 실리콘의 일부 영역은 다른 특성을 갖도록 도프 처리(doping)되어 있습니다. 이러한 도프 처리 영역은 현미경 아래에서 볼 수 있습니다. 이 칩은 현대 컴퓨터의 MOS 트랜지스터와 달리 다른 형태인 NPN 트랜지스터로 구성되어 있습니다. 왼쪽에 있는 트랜지스터는 베이스(P-형 실리콘), 에미터(N-형 실리콘), 콜렉터(N-형 실리콘)로 표시되어 있습니다. 실리콘과 금속층이 있었던 위쪽에서 잘 보이는 것은 결합되어 있던 접촉 장치입니다. 오른쪽의 두 트랜지스터는 하나의 큰 콜렉터를 공유합니다. 이 칩에서는 여러 트랜지스터가 동일한 콜렉터를 공유하는 것이 일반적입니다.

Am2901의 다양한 용도

5.1 미니 컴퓨터에서의 사용

Bit-slice 프로세서인 Am2901은 미니 컴퓨터를 비롯한 많은 시스템에서 사용되었습니다. 이 시기에는 미니 컴퓨터가 대중화되고 있었고, Am2901은 그 중요한 부품으로 사용되었습니다. 여러 개의 Am2901 칩을 조합해 사용하면 더 큰 워드 사이즈를 처리할 수 있었고, 이는 유연성과 고속 처리를 가능하게 했습니다.

5.2 다양한 시스템에서의 활용

Am2901은 비디오 게임인 Battlezone에서부터 VAX-11/730 미니 컴퓨터, Xerox Star 워크스테이션, F-16 전투기의 Magic 372 컴퓨터까지 다양한 시스템에서 사용되었습니다. 이 칩은 이러한 시스템에서 역할을 수행하는 데 매우 널리 사용되었으며, 많은 이점을 제공했습니다.

Am2901을 통한 컴퓨터 설계

6.1 TTL 칩과 Bit-slice 프로세서

TTL 칩으로 프로세서를 구성하는 것은 당시에는 더 빨랐지만, 보드에 많은 칩을 필요로 했습니다. Bit-slice 프로세서를 사용하면 속도 이점을 유지하면서 칩 수를 줄일 수 있었습니다. Bit-slice 프로세서는 마이크로프로세서 칩과 단순한 TTL 칩을 조합하여 컴퓨터를 구축하는 방법이었습니다.

6.2 Bit-slice 프로세서의 장점

Bit-slice 프로세서는 더 높은 속도와 함께 커스터마이징 가능한 명령어 세트와 같은 많은 유연성을 제공했습니다. 디자이너는 명령어 세트와 다른 구조적 특징을 사용자 정의할 수 있었습니다. 이러한 유연성으로 인해 Bit-slice 프로세서는 일반 마이크로프로세서에 비해 더 나은 성능을 제공했습니다.

6.3 커스터마이징 가능한 명령어 세트

Am2901은 마이크로 코드 ROM에 저장된 마이크로 명령어로 명령어 세트가 정의된다는 독특한 특징이 있습니다. 컴퓨터의 명령어 세트는 Am2901이 아닌 마이크로 코드로 정의되므로 거의 모든 명령어 세트를 지원할 수 있었습니다. 이는 다양한 컴퓨터 아키텍처를 지원할 수 있었음을 의미합니다.

Am2901의 유용한 기능

7.1 ALU의 8가지 연산

Am2901의 ALU는 4비트 산술 논리 연산을 지원합니다. 이 ALU는 덧셈, 뺄셈 및 비트별 논리 연산과 같은 8가지 연산을 수행할 수 있습니다. 하지만 곱셈이나 나눗셈은 지원하지 않습니다. ALU는 다양한 선택한 기능 및 점검 기능에 따라 캐리 인과 캐리 아웃값을 출력할 수도 있습니다. 이를 통해 여러 개의 ALU를 결합하여 더 큰 워드를 처리할 수 있습니다.

7.2 빠른 캐리 전개 기법

Am2901의 ALU는 빠른 캐리 전개 기법을 사용합니다. 이를 통해 하드웨어적으로 캐리를 전개하여 더 빠른 덧셈을 수행할 수 있습니다. 캐리 전개 회로는 여러 칩을 결합하여 더 큰 워드의 빠른 덧셈을 실현합니다. 이러한 기법으로 인해 Am2901은 고속 연산을 제공할 수 있었습니다.

7.3 하드웨어 재활용을 통한 고속 연산

Am2901에서는 단 하나의 하드웨어 회로를 여러 가지 방식으로 활용하여 여덟 가지 연산을 모두 수행할 수 있습니다. 이를 통해 서로 다른 연산을 위해 여러 개의 회로를 사용할 필요 없이 단일 회로를 사용할 수 있습니다. 이는 칩의 크기를 줄이면서도 다양한 기능을 제공할 수 있는 이점으로 작용했습니다.

Am2901의 역사적 의의

8.1 CMOS 기술의 발전과 비트-슬라이스 프로세서의 미래

CMOS 기술이 계속 발전함에 따라 한 개의 칩으로 빠른 프로세서를 구현할 수 있게 되었습니다. 이는 비트-슬라이스 프로세서를 퇴출시키는 결과를 가져왔습니다. Am2901과 비교해도 약 천 개의 트랜지스터와 16MHz의 속도를 가지는 Am2901보다 요즘은 수십억 개의 트랜지스터를 가진 4GHz의 프로세서가 AMD에서 생산되고 있습니다.

8.2 현대 프로세서와의 비교

현재의 프로세서는 Am2901과 비교해 훨씬 진보한 기술을 사용하고 있습니다. 요즘의 프로세서는 수십억 개의 트랜지스터를 가지며 4GHz의 속도로 동작합니다. 이는 과거에 비해 놀라운 발전입니다. 하지만 Am2901은 그 당시 뛰어난 성능을 제공한 칩으로서 자리매김했습니다.

결론

이렇게 Am2901 프로세서에 대해 알아보았습니다. 이 칩은 Bit-slice 프로세서로서 1970년대와 1980년대에 많은 시스템에서 사용되었습니다. Am2901의 구조와 기능, 그리고 ECL 로직에 대해 자세히 살펴보았습니다. 또한 이 프로세서가 어떻게 컴퓨터 설계에 사용되는지, 그리고 현대의 프로세서와 비교했을 때의 의의를 알아보았습니다. Am2901은 컴퓨터 역사에서 중요한 위치를 차지하고 있으며, 현재의 컴퓨터 성능 향상에 기여한 기술적 발전 요소 중 하나입니다.