07 차량 플랫폼 - 차량용 SOC칩과 ARM core

개요

ARM 코어는 ARM 에서 설계한 프로세서 코어로, 저전력 및 고효율성을 목표로 합니다. 

ARM은 ARM 코어의 설계를 라이선스화하여 칩 제조사들이 이를 기반으로  자신들의 SOC(System on Chip)을 설계할 수 있도록 합니다. 

ARM의 역사를 살펴보면, ARM은 1990년대 초 영국의 에이콘 컴퓨터가 설립한 벤처 자회사로 시작하였습니다.

ARM은 당시 최고의 성능에 초점을 맞추어 CPU를 출시한 인텔에 대응하여, 저전력에 초점을 맞추어 CPU를 개발하게 됩니다. 컴퓨터 시스템에 널리 쓰이던 인텔의 x86아키텍처는 CISC(Complex Instruction Set Computing)아키텍터로 복잡한 명령어로 여러가지 작업을 수행할 수 있지만, 전력 소비가 높고 열을 많이 발생시키는 단점이 있었습니다. 

ARM은 단순하고 효율적인 명령어 집합을 사용하는 RISC(Reduced Instruction Set Computing) 아키텍처를 기반으로 프로세서의 작업을 단순하고 효율적으로 처리할 수 있었고, 전력 효율정이 높아 저전력 소비에 효과적이었습니다. 

임베디드 기기에서 저전력 이슈가 중요해지면서 ARM의 전략이 성공을 거두기 시작했고, 애플에서 저전력 반도체로 ARM 기반 AP와 SOC를 선택하면서 모바일 디바이스에서 AP와 SOC가 표준이 되는 계기가 되었습니다. 

대표적인 ARM 아키텍처 기반 칩에는 애플의 애플 실리콘(M1, M2), 삼성의 엑시노스, 테슬라 FSD 등이 있습니다.

 최근에는 ARM 아키텍쳐 기반의 칩셋(CPU, D램, GPU)의 제조로 고성능과 저전력 효율의 장점을 모두 가져갈 수 있게 되면서 반도체 아키텍쳐의 기본으로 점유율을 높여가고 있습니다. 

 

ARM 아키텍처

ARMv7 : 32비트 아키텍처 

ARMv8 : 64비트 아키텍처 - 64비트 확장을 통해 더 높은 성능과 더 많은 메모리 주소를 지원

ARMv9 : 향상된 보안 기능, AI/ML 성능 지원

 

각각의 ARM 아키텍처에 Cotex-A/R/M 시리즈가 존재하는데 

Cortex-A 시리즈는 고성능 어플리케이션 프로세서에,

Cortex-R 시리즈는 실시간 프로세서에,

Cortex-M 시리즈는 마이크로 컨트롤러용 저전력 프로세서에 사용된다.

 

차량용 SOC 제조사로 유명한 NXP사의 경우 NXP S32G라는 고성능 차량용 프로세서를 제조하였는데

S32G 또한 ARM 기반 아키텍처로 ARM Cortex-A53(AP)과 ARM Cortex-M7(MCU) 로 구성되어 있다. 

출처 : ARM Cortex-M7: Digital Signal Processing Drives Family Evolution ❘ Berkeley Design Technology, Inc (bdti.com)

CPU core 구성 

CPU 코어는 산술 논리장치(ALU)와 제어장치, 레지스터, 캐시메모리로 구성되어있다. 

CPU 캐시메모리는 CPU와 메인 메모리 간의 전송 속도를 높이기 위해 사용되는 고속 메모리이다.

코어 내 레지스터는 메인 메모리(RAM)에서 데이터를 읽어올 수 있지만, 메인메모리는 레지스터보다 상대적으로 속도가 느려 이 속도차이를 극복하기 위해 사용되는 것이 캐시 메모리이다. 주로 L1, L2, L3 캐시가 있다.

L1캐시는 CPU 코어 간 독립적으로 가지며 코어 내 레지스터로 부터 읽고 쓰이는데사용되어,  데이터의 접근 속도를 높이기 위해 주로 사용되는 캐시이다.

L2캐시는 L1캐시보다 큰 크기와 약간 느린 속도를 가지며 L1 캐시 간 공유되어 읽히는데 사용된다.

ARM Cortex-A 시리즈의 경우 고성능 애플리케이션을 위한 L2캐시를 포함하고 있다.

L3캐시는 여러 코어가 공유하는 더 큰 크기의 캐시고 일부 고성능 프로세서에서 사용하고 있다. 

마찬가지고 L2 Cache들로부터 읽히고 쓰이는데 사용된다

일례로 Cortex-A53의 경우 32KB의 L1 데이터/명령어 캐시가 있고 공유 최대 1MB의 공유 L2캐시가 존재한다. 

이러한 캐시 메모리는 SRAM 메모리로 구현되는 경우가 많으며, 빠른 처리 속도가 필요한 차량 게이트웨이 기능 등에사용되고 있다.  

출처 : What is the difference between 4 core and 4 CPU? - Quora