ARM 프로세서란?

ARM 프로세서는 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍처 기반의 중앙 처리 장치(CPU) 제품군입니다. ARM은 Advanced RISC Machine의 약어입니다. ARM 아키텍처는 시스템용 하드웨어 설계 방식에 대해 x86과 같은 더 익숙한 서버 아키텍처와는 접근 방식이 다릅니다.

지난 몇 년 사이 ARM 에코시스템은 클라우드 및 하이퍼스케일 컴퓨팅, 통신, 엣지 컴퓨팅, 고성능 컴퓨팅(HPC) 애플리케이션용으로 설계된 서버 최적화 제품 및 솔루션과 함께 알려져 왔습니다. Red Hat® Enterprise Linux® for ARM이 물리, 가상 및 클라우드 배포 전반에서 일관된 애플리케이션 환경을 포함한 신뢰할 수 있는 고성능 플랫폼을 어떤 방식으로 제공하는지 알아보세요.

ARM 아키텍처 관련 활용 사례 및 애플리케이션은 ARM 프로세서의 역사를 알아야 제대로 이해할 수 있습니다.

x86은 이보다 오래된 아키텍처 접근 방식으로서, x86 CPU 설계는 1978년에 시작되었습니다. 방 하나를 가득 채울 정도로 엄청난 크기의 메인프레임 컴퓨터가 사용되던 시절이기도 합니다. 기술이 “마이크로컴퓨터”(PC)로 현대화되면서, 고성능/소형화 설계 요소를 구성하는 방법을 파악하는 것이 과제가 되었습니다. 1980년대 초에 Acorn Computers는 마이크로컴퓨터를 설계했으나 자체 칩 설계로 인해 성능이 제한되었습니다.

이 시기에(1981년에 시작) 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스에서는 컴퓨터 칩의 리소스 사용량을 평가하는 프로젝트가 진행되었습니다. 처리 장치에는 '명령 집합'으로 총칭되는 사전 정의된 특정 연산이 있습니다. 운영 체제와 프로그램은 이러한 명령 집합을 사용해 자체적으로 실행됩니다. 버클리 캠퍼스의 프로그래머들이 알아낸 것은 대부분의 프로그램이 명령 집합의 하위 집합 중 극히 일부만 사용한다는 것이었습니다. 따라서 복잡하고 구현하기 어려운(그리고 거의 사용되지 않는) 명령을 삭제하여 사전 정의된 명령 수를 줄이면 나머지 단순한 명령이 더 빨리 실행되어 전력 사용량도 대폭 감소하고 칩이 차지하는 공간도 줄어들게 됩니다. 이를 가리켜 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍처라고 합니다. 반면 x86은 CISC(Complex Instruction Set Computer) 아키텍처입니다. RISC와 CISC 둘 다 명령 집합 아키텍처로 간주됩니다.

유비쿼터스 x86 설계와 같은 일반적인 서버 아키텍처는 교체 가능한 구성 요소가 배치된 마더보드 기반의 모듈식 접근 방식을 사용합니다. 그래픽 카드 및 GPU, 메모리 컨트롤러, 스토리지 또는 처리 코어와 같은 CPU와 기타 구성 요소는 특정 기능에 최적화되어 있으며 손쉽게 교체하거나 확장할 수 있습니다. 하지만 여기에는 대가가 따릅니다. 이들 하드웨어 구성 요소는 일반적으로 더 균질화된 시스템 아키텍처로서, 해커가 "WORA(Write Once, Run Anywhere)" 익스플로잇을 통해 시스템을 빠르게 침해하고 공격할 수 있습니다.

ARM 기반 프로세서는 다른 접근 방식을 취합니다. 처리 장치를 나머지 하드웨어와 분리하는 대신 CPU 코어가 집적 회로용 물리 플랫폼의 일부가 됩니다. PCI(Peripheral Component Interconnect) 등의 I/O 버스 컨트롤러 같은 기타 하드웨어 기능은 동일한 물리 플랫폼에 있으며, 모든 다양한 기능이 내부 버스를 통해 한데 통합됩니다. 이와 같은 구성 요소가 동일한 집적 회로에 배치되는 경우 이를 가리켜 SOC(System on a Chip)라고 합니다.

이러한 적응성과 통합이야말로 주어진 시스템에 대해 ARM 프로세서를 선택하게 만드는 핵심 요인입니다. x86 아키텍처를 위한 AMD 또는 Intel 프로세서와 같이 ARM 프로세서 제조업체가 따로 있는 것은 아닙니다. Arm Holdings가 특정 성능 벤치마크를 사용해 다양하게 특화된 목적과 최적화를 위한 ARM 프로세서 설계를 순차적으로 사용 허가하면 하드웨어 제조업체가 이러한 설계를 가져와 기기별로 조정합니다.

어떤 의미에서 ARM 기반 프로세서의 정의를 묻는 질문은 ARM 기반 프로세서의 핵심에서 벗어난 것입니다. ARM 기반 프로세서를 사용한다는 것은 시스템 성능과 연결성의 기본 우선 순위가 다른 별개의 시스템 아키텍처를 사용한다는 뜻입니다.

ARM 아키텍처는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 전자 설계인 반면, x86은 서버 시장에서 더 많이 사용됩니다. ARM 아키텍처는 거의 모든 스마트폰 설계에서 사용되며 다른 소형 모바일 기기 및 노트북에서도 사용됩니다.

x86 칩은 성능을 최적화하도록 설계된 반면, ARM 기반 프로세서는 더 작은 크기로 비용을 줄이고, 전력 소비를 낮추고, 열 발생을 줄이며, 속도를 높이고, 배터리 수명을 늘리도록 설계되었습니다.

Arm Holdings는 하드웨어가 아닌 설계를 판매하므로 하드웨어 제조업체는 마이크로아키텍처를 특정 요구 사항에 맞게 사용자 정의하는 동시에 소형, 고성능, 에너지 효율성을 유지할 수 있습니다. 이는 Linux, Windows, Android와 같은 운영 체제가 더욱 다양한 하드웨어를 지원해야 한다는 뜻이기도 하므로 장점이자 단점이기도 합니다.

그렇다고 해서 ARM 아키텍처가 소형 모바일 기기에만 사용되는 것은 아닙니다. Fujitsu와 Riken이 설계한 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 Fugaku는 ARM 프로세서를 사용합니다. Fujitsu의 경우 자사 슈퍼컴퓨터용 ARM 칩을 자체 설계했지만 ARM이 HPC 아키텍처에 설계 프로필을 제공합니다. 크기가 더 작고, 전력 소비가 덜하고, 열이 덜 발생하므로(추가 냉각의 필요성 감소) 이제 더 많은 조직이 ARM 시스템을 사용해 HPC 및 클라우드 환경(예: Amazon Web Services Graviton 및 Microsoft Azure)용 노드 또는 클러스터를 생성하고 있습니다. Arm Compiler for Linux 툴체인은 HPC 애플리케이션을 개발하는 데 적합하도록 맞춤형으로 제공됩니다. 기존 애플리케이션, 활용 사례, ARM 프로세서를 통합할 때 이들 사이의 호환성을 평가하는 것이 중요합니다.

ARM 아키텍처를 사용하면 설계 및 성능뿐 아니라 공급망에 대해서도 하드웨어 설계자의 제어 권한이 더 커집니다. 이처럼 제어와 성능의 조합은 소형 소비자 기기와 대규모 컴퓨팅 환경에서 모두 매력적인 요소입니다.

ARM 아키텍처는 특히 Raspberry Pi 보드와 같은 기기와 삼성 및 Apple의 스마트폰에서 오랫동안 Linux 운영 체제를 사용해 왔습니다. 하지만 ARM 프로세서 및 Linux에 관한 개발 역사는 잘 알려져 있습니다. 동일 제조업체나 모델 내에서도 ARM 설계 사이에 일관성이 부족했기 때문에 모든 ARM 설계에는 자체 사용자 정의 Linux 커널 빌드가 있어야 했습니다. 하지만 2012년 Linux 커널 커뮤니티가 ARM SOC에 대한 멀티플랫폼 지원을 Linux 커널에 추가하면서 사정이 달라졌습니다.

Arm Holdings는 Linux 서버 및 워크스테이션을 지원하기 위한 특정 아키텍처를 정의했는데, 그것이 바로 SystemReady 시리즈입니다. 이 아키텍처는 하드웨어, 펌웨어, 부팅 요구 사항, 보안의 사양을 정의합니다. Red Hat Enterprise Linux for ARM은 Arm SystemReady SR에 대한 인증을 획득했습니다. SystemReady 아키텍처의 목표는 운영 체제부터 기술 스택의 모든 계층이 작동하도록 보장하는 것입니다.

커뮤니티는 ARM 설계와 관련해 매우 중요한 요소입니다. Red Hat 서브스크립션의 한 가지 장점은 하드웨어 벤더의 폭이 넓다는 것입니다. 이들 업체는 엔지니어링 협업을 진행하고, 검증 및 인증을 받은 배포를 보유하고 있습니다. 여기에는 ARM 하드웨어 제조업체와 설계업체가 포함됩니다. ARM는 하드웨어 설계 자체와 항상 긴밀한 결합 상태를 유지하기 때문에, Red Hat Enterprise Linux는 신규 ARM 개발을 평가하기 위해 하드웨어 에코시스템 벤더와 함께 진행하는 얼리 액세스 프로그램을 제공하고 있습니다.

Red Hat이 ARM 커뮤니티에 적극 참여하고 Red Hat Enterprise Linux의 오픈소스 엔터프라이즈 라이프사이클, 보안, 성능이 인정을 받으면서 Red Hat Enterprise Linux for ARM는 ARM 워크로드를 위한 최적의 플랫폼으로 꼽히고 있습니다.