만약 여러분이 오픈 소스 컴퓨터를 만들고 싶다면, 소프트웨어 영역에서는 이미 가능합니다. 하지만 컴퓨터의 핵심 부품인 프로세서는 대부분 독점적인 기술에 기반하고 있습니다. 이때, RISC-V라는 오픈 소스 프로세서 설계가 등장하며 빠르게 주목받고 있습니다. 이는 컴퓨팅 환경에 혁신적인 변화를 가져올 잠재력을 지니고 있습니다.
Intel 및 ARM 설계의 새로운 대안
현재 프로세서 시장은 ARM과 Intel의 x86이라는 두 가지 주요 디자인이 주도하고 있습니다. 이 두 기업은 막대한 규모로 사업을 운영하고 있지만, 비즈니스 모델에는 근본적인 차이가 있습니다.
Intel은 칩 설계부터 제조까지 모든 과정을 직접 담당하는 반면, ARM은 Qualcomm이나 Samsung과 같은 타사 설계자에게 설계 라이선스를 제공하고, 이들은 자신들의 필요에 맞춰 설계를 개선합니다. Samsung은 자체적으로 칩을 제조할 수 있는 인프라를 갖추고 있지만, Qualcomm과 같은 ‘팹리스’ 설계자들은 이 중요한 제조 과정을 제3자에게 아웃소싱합니다.
ARM의 경우, 라이선스 제공자는 칩 설계의 세부 사항을 비공개로 유지해야 한다는 계약을 맺는 경우가 많습니다. 이는 제조보다는 지적 재산에 초점을 맞춘 비즈니스 모델의 특징입니다.
반면, Intel 역시 자체적인 상업적 비밀을 보호합니다. 두 프로세서 모두 상업적인 목적으로 개발되었기 때문에, 학계나 오픈 소스 개발자들이 설계에 영향을 미치는 것은 매우 어렵습니다 (불가능하지는 않더라도).
RISC-V의 혁신적인 차이점
RISC-V는 완전히 다른 접근 방식을 취합니다. 우선, RISC-V는 회사가 아니라, 2010년 캘리포니아 대학교 버클리에서 학계 연구진이 주도하여 개발한 로열티 없는 오픈 소스 대안입니다.
이는 마치 Windows 대신 Linux를 설치하는 것과 유사합니다. 사용자는 복잡한 라이선스 계약이나 비용 부담 없이 자유롭게 사용할 수 있습니다. RISC-V는 반도체 연구 및 설계 분야에서도 이와 같은 자유로움을 제공하는 것을 목표로 합니다.
ARM은 프로세서가 이해할 수 있는 명령 집합인 ISA(Instruction Set Architecture)와 구현 방법인 마이크로아키텍처 모두에 라이선스를 제공합니다.
반면 RISC-V는 ISA만을 제공하여 연구자와 제조업체가 실제 사용 목적에 맞춰 설계를 자유롭게 정의할 수 있도록 합니다. 따라서 임베디드 시스템용 저전력 16비트 칩부터 슈퍼컴퓨터용 128비트 프로세서까지 다양한 장치에 맞게 확장할 수 있습니다.
이름에서 알 수 있듯이, RISC-V는 ARM, MIPS, SPARC 및 Power 설계 기반 칩과 동일한 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 원칙을 따릅니다.
그렇다면 RISC란 무엇일까요? 모든 컴퓨터 프로세서의 핵심에는 ‘명령’이라는 것이 존재합니다. 이는 프로세서가 수행해야 할 작업을 알려주는 작은 프로그램으로, 하드웨어 형태로 구현됩니다.
RISC 기반 칩은 일반적으로 Intel에서 사용하는 CISC(Complex Instruction Set Computer) 설계보다 적은 수의 명령을 가지고 있습니다. 또한, 명령어 자체가 하드웨어에서 구현하기 훨씬 더 간단합니다.
더 간단한 명령어는 칩 제조업체가 칩 설계를 더 효율적으로 만들 수 있다는 것을 의미합니다. 다만, 상대적으로 복잡한 작업은 프로세서가 아닌 소프트웨어에 의해 여러 개의 작은 명령으로 나뉘어 처리됩니다.
이러한 이유로 RISC는 ‘Relegate Important Stuff to the Compiler’ (중요한 것은 컴파일러에 맡겨라) 라는 별명을 얻게 되었습니다. 이는 단점처럼 들릴 수 있지만, 실상은 그렇지 않습니다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 컴퓨터 프로세서의 작동 원리를 살펴볼 필요가 있습니다.
스마트폰이나 컴퓨터에 사용되는 프로세서는 트랜지스터라고 불리는 수십억 개의 작은 부품으로 구성됩니다. CISC 기반 칩의 경우, 이 트랜지스터 중 상당수는 사용 가능한 다양한 명령어를 나타냅니다.
반면 RISC 칩은 명령어 수가 적고 간단하기 때문에 더 적은 수의 트랜지스터가 필요합니다. 이는 더 많은 기능을 추가할 수 있는 여지를 제공합니다. 예를 들어, 더 많은 캐시나 메모리 레지스터를 포함하거나, AI 및 그래픽 처리를 위한 추가 기능을 넣을 수 있습니다.
또한 전체 트랜지스터 수를 줄여 칩의 물리적인 크기를 줄이는 것도 가능합니다. 이것이 MIPS 및 ARM 기반 RISC 칩이 IoT(사물 인터넷) 장치에 자주 사용되는 이유입니다.
속도의 중요성
물론, 라이선스는 RISC-V의 유일한 장점은 아닙니다. RISC 프로세서 설계의 초기 연구를 주도했던 David Patterson은 RISC-V가 제조 기술 개선을 통한 CPU 성능 향상에 대한 한계를 극복하기 위해 설계되었다고 설명합니다.
칩에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록 프로세서의 성능은 향상됩니다. 그 결과, TSMC나 Samsung과 같은 칩 제조업체들은 트랜지스터의 크기를 지속적으로 줄이기 위해 노력하고 있습니다.
최초의 상업용 마이크로프로세서인 Intel 4004에는 각각 10,000나노미터 (약 0.01mm) 크기의 2,250개의 트랜지스터가 있었습니다. 이는 40년 후 출시된 Apple의 A14 Bionic 프로세서와 비교해 보면 매우 작은 숫자입니다. 새로운 iPad Air에 탑재된 이 칩에는 118억 개의 트랜지스터가 있으며, 각각의 트랜지스터 크기는 5나노미터에 불과합니다.
1965년, Intel의 공동 창립자인 Gordon E. Moore는 칩에 집적할 수 있는 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라는 이론을 발표했습니다.
Moore는 한 전자 잡지 35주년 기념호에서 “최소 부품 비용 대비 복잡성이 매년 약 2배의 속도로 증가하고 있다”고 언급하며, “단기적으로는 이러한 비율이 계속 유지될 것이며, 장기적으로는 다소 불확실하지만, 적어도 향후 10년 동안은 거의 일정하게 유지될 것이라고 믿을 이유가 없다”고 덧붙였습니다.
그러나 무어의 법칙은 올해부터 더 이상 유효하지 않을 것으로 예상됩니다. 칩 제조업체들이 장기적으로 이러한 소형화 추세를 계속 이어갈 수 있을지에 대한 의구심도 커지고 있습니다. 이는 기초 과학 수준과 경제적 수준 모두에 적용됩니다.
더 작은 트랜지스터를 만드는 것은 점점 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 예를 들어, TSMC는 5nm 칩 생산을 위해 공장에 170억 달러 이상을 투자했습니다. 이러한 한계를 고려할 때, RISC-V는 트랜지스터의 크기와 수를 줄이는 것 외에 다른 방법을 모색하여 성능 문제를 해결하는 것을 목표로 하고 있습니다.
RISC-V를 사용하는 기업들
RISC-V 프로젝트는 2010년에 시작되었으며, 2011년에 ISA를 사용한 첫 번째 칩이 제작되었습니다. 3년 후, 이 프로젝트는 공개되었고 곧 상업적인 관심을 받게 되었습니다. 현재 NVIDIA, Alibaba, Western Digital과 같은 기업들이 이미 이 기술을 활용하고 있습니다.
아이러니하게도, RISC-V 자체는 획기적인 기술이 아닙니다. 기초적인 웹페이지 메모에는 “RISC-V ISA는 최소 40년 전의 컴퓨터 아키텍처 아이디어를 기반으로 한다”고 명시되어 있습니다.
하지만 혁신적인 것은 비즈니스 모델, 또는 비즈니스 모델이 없다는 점입니다. 이는 프로젝트를 실험과 개발, 그리고 무한한 성장 가능성에 노출시킵니다. RISC-V 재단 역시 웹사이트 메모를 통해 다음과 같이 밝힙니다.
“관심은 소프트웨어 이식성과 누구나 소프트웨어를 실행하기 위해 자신의 하드웨어를 자유롭게 개발할 수 있도록 하는 공통의 무료 개방 표준이기 때문입니다.”
현재 RISC-V 칩은 주로 서버 팜과 마이크로컨트롤러 영역에서 활약하고 있습니다. 소비자 시장에서 ARM/Intel의 양대 구도를 무너뜨릴 수 있을지는 좀 더 지켜봐야 합니다.
하지만 기존 기업들이 정체된다면, 다크호스가 빠르게 등장하여 모든 것을 변화시킬 가능성도 있습니다.