CISC VS RISC

-복잡하고 기능이 많은 명령어로 구성된 프로세서

-복합 명령을 가짐으로써 하위 호환성을 충분히 확보

-트랜지스터 집적에 있어서 효율성이 떨어짐(성능 향상에 난점)

-전력소모가 큼. 속도가 느리고 가격이 비쌈

-호환성이 절대적으로 필요한 PC 환경에 사용

-386, 486, Pentium 등 PC용 CPU


RISC(Reduced Instruction Set Computer)

-CPU의 명령어를 최소화하여 단순하게 제작된 프로세서

-대단히 효율적이고 특화된 CPU 구조. 다양한 기술 이용 가능

-하드웨어가 간단한 대신 소프트웨어는 복잡하고 크기가 커짐(컴파일러의 최적화가 요구됨)

-하위 호환을 위해 에뮬레이션 방식을 채택. 호환성 부족

-전력 소모가 적음. 속도가 빠르고 가격이 저렴

-용도에 최적화가 요구되는 환경에 사용

-IBM System/6000, 임베디드(MIPS, ARM계열 등), 매킨토시, 서버, 워크스테이션 등을 위한 특수목적 CPU

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CISC

인텔의 8086은 16비트 프로세서로, 명령어의 길이가 1바이트에서 8바이트까지 가변적으로 구성되어 있다. 명령어가 가변적이고 복잡하므로 CISC 방식이라고 하는 것이다. 이 구조는 가능한 한 명령어의 길이를 줄여서 명령어의 디코딩(decoding, 해석) 속도를 높이고 최소의 메모리 구조를 갖도록 하기 위해서 정해진 것으로, 하나의 프로세서가 일련의 명령어를 순차적으로 처리하기에는 무척 유용한 방법이며, CPU의 동작 속도가 높아짐에 따라 성능이 비례로 증가한다. CISC 방식은 32비트 프로세서인 80386까지도 아무런 문제없이 적용된 기술이므로 완벽한 하위 호환성을 유지할 수 있었다.



그러나, 80486이 등장하면서 단순히 CPU의 클럭(Clock, 동작 속도)을 높이는 방식으로 성능 향상을 기대할 수 없으므로 CISC 방식의 문제점이 드러나기 시작했다. 클럭에는 한계가 있기 때문이다. 그래서, 한번에 여러 개의 명령어를 동시에 수행할 수 있는 기술이 필요하게 되었다. 즉, 동일한 클럭에서 두 개의 명령어를 한번에 처리하게 되면 두 배의 성능 향상을 기대할 수 있기 때문이다. 그러나, 슈퍼 스칼라(Super Scalar) 구조에서는 명령어의 길이가 가변적이기 때문에 순차적으로 해석해야 하고 조건/비조건 분기가 중간에 자주 등장하므로 여러개의 명령어를 처리하기에는 적합하지 못했다.

결국, 펜티엄부터 RISC86이라는 기법이 사용되었다. 이 방식은 AMD의 인텔 호환 CPU에서 사용된 기술로, 명령어의 해석 부분을 기존의 슈퍼 스칼라 방식으로 유지하면서 독립된 장치로 설계하여 연속적이고 고속으로 명령어를 RISC 방식으로 변환시키는 것이다. 그리고, 실제로 연산을 처리하는 장치는 RISC 방식으로 처리하여 여러 개의 명령어를 처리할 수 있도록 하는 방식이다. 그래서, 인텔 펜티엄 프로세서는 최대한 두 개의 명령어를 동시에 처리할 수 있는 것이다.

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RISC

1970년대에 등장한 RISC 방식은 최신 프로세서의 핵심 기술로, CPU에서 수행하는 모든 동작의 대부분이 몇 개의 명령어만으로 가능하다는 사실을 전제로 하고 있다.

인텔과 경쟁하며 제품을 개발하던 모토롤라(Motorola)의 프로세서를 사용한 애플(Apple)의 매킨토시 컴퓨터에는 68 계열의 프로세서가 장착되어 있는데, 이 프로세서가 CISC 방식을 채택하고 있다. 모토롤러의 RISC계열로는 88계열이, 인텔에서는 x60계열이 있었다. 말 그대로 간단한 명령어만으로 구성되는 CPU이다. 그래서, 인텔 CPU 기반으로 개발된 프로그램은 매킨토시에서 사용할수 없었는데, 이것은 CPU 아키텍처가 다르기 때문이다.



RISC CPU는 고정된 길이의 명령어를 사용하고 명령어의 종류가 미리 정해져 있으므로 해석 속도가 빠르고 여러 개의 명령어를 처리하기에 적합하다는 장점이 있다. 특히, 분기 위치가 정해져 있고 비순차 처리도 가능하다. 그러나, 처리 비트 단위가 변하거나 CPU의 구조가 조금만 바뀌어도 하위 프로세서와의 호환성이 떨어지므로 문제가 발생한다. 이것은 하위 컴퓨터의 표준이 될만한 호환 명령어라는 개념이 없고 프로세서의 단계에 따라 최적의 명령어가 정해져 있기 때문이다.

이처럼 RISC 방식의 대표적인 CPU인 모토롤라 68 계열은 소프트웨어의 호환성 결여 때문에 인텔에 비해서 뛰어난 성능을 가지고 있음에도 불구하고 많은 사용자를 확보하지 못하고 있다. 단지 고성능의 대용량 데이터 처리가 필요하고 소프트웨어 활용이 비교적 고정되어 있는 워크스테이션을 중심으로 해서 많이 사용되고 있다.

RISC는 명령어가 전부 1워드(Word) 길이로 짧고 파이프라인(Pipeline)과 슈퍼 스칼라(Super Scalar)를 통해서 멀티 태스킹이 가능하므로 CISC에 비해서 많은 레지스터를 가지고 있다는 특징을 가진다.

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RISC와 CISC는 CPU의 Architecture, 즉 구조적 측면의 차이로 어떤 일정한 방법으로 명령어를 처리하느냐에 따라 구분된다. 예전에는 RISC를 단순히 CISC를 간소화 시킨 정도로 보는 시각도 있었지만 현재에 와서는 그런 개념을 뛰어넘고 있다.



CISC는 복합 명령 집합 컴퓨팅으로 말 그대로 복합적인 명령어를 가지고 있다. 일단 컴퓨터에 어셈블리, 또는 베이직 따위의 언어로 명령을 주면, CPU에서 그것을 여러 단계로 세분화되어 마이크로 코드(Microcode)라 하는 수행 절차를 걸쳐 처리하게 된다. 그런데, 이런 수행에 있어 좀 더 복잡한 연산에 대응하는 명령어 셋을 추가하는 것이 CISC로, 여러 개의 단순한 명령어 셋으로 명령을 처리하기 보다는 그것들을 포괄하는 연산 셋으로 한 개의 명령어로 처리해 효율을 도모한다는 것이 CISC다. MMX도 이런 의미에서 볼 때는 CISC의 확장이라 볼 수 있겠다.

한편 RISC는 CISC와는 반대로 기본 명령어 셋을 추구하는 형태이다. 그러나 RISC라고 해서 단순히 명령어를 간소화 시킨 형태라고 봐서는 안된다. 단순히 명령어만 간소화 시킨다면, CISC보다 뛰어날 이유가 없기 때문이다. RISC에서는 컴퓨터에서 주 수행되는 작업을 색출해, 거기에 최적화 시켜 만든다. 핵심이 되는 작업 항목에 특화시켜 전체적인 속도를 향상시키는 것이다. 한가지 예를 들어 설명하자면, 모든 컴퓨터 작업에 있어서 읽고 쓰는 작업은 항상 포함된다. 일단 데이터를 읽어 들이고 쓰는 과정은 Loading과 Swap으로 이루어지기 때문이다. 그 과정에 최적화시키면 그 만큼 작업 속도,즉 전체적인 처리 효과를 얻게 되는 것이다. 그러기 위해선 다른 명령어 셋과는 달리 다른 공정이 필요하다.



CISC의 예로 CISC CPU의 대명사 Intel을 살펴보자. 현재 CISC는 RISC를 clock 속도로써는 충분히 능가할 수 있다. 다만 그 과정에서 트랜지스터 집적도가 너무 과다하게 올라가고 있다. 특히 Intel은 CISC에 MMX를 덧붙여 CISC에 CISC를 더한 셈이 되었다. 어차피 MMX의 세부를 열어보면 그것 역시 CISC의 확장이 되는 셈이기 때문이다. 특정 연산에 대한 명령어를 추가하는 것이 결국 CISC의 특성이 아니던가. Intel이 트랜지스터 집적도를 무리하게 올리면서 지금의 가격을 형성하고 인하 정책을 펼치는 것이 신기할 정도다. 아마도 현재의 PC CPU는 RISC로 갈 가능성은 희박할 듯 하다. 그 예로 Intel이 내세우는 차세대 CPU 머시드는 EPIC라고 하는 CISC를 또 다시 확장한 형태로 구현된다고 하니 말이다. 그 결과 머시드의 트랜지스터 집적수는 3억개라는 천문학적인 숫자에 이르고 말았다.



RISC의 예로 O2에 사용된 R10000 프로세서를 살펴보자. R10000 프로세서의 경우 clock은 그리 높지 않다. 175MHz의 동작 clock을 가진 제품도 있기 때문이다. 1MB의 L2 캐시를 가지고 있으며(R5000SC의 경우 5MB의 L2 캐시를 탑재), R10000 프로세서는 RISC프로세서의 정점을 보여주는 CPU로 RISC의 효율성을 최대한으로 발휘하고 있다. 4방향 슈퍼스칼라(4개 명령 동시 처리)에 64비트 구조를 가지고 있으며 비순차적 명령 실행 방법과 128비트 L2 캐시 버스에 별도 5개의 실행 유닛을 가지고 있다. PC식의 난폭한 마케팅으로 말하자면, R10000 프로세서는 128비트 프로세서란 말을 들을 수도 있다는 이야기가 된다.


요즘에 와서는 CISC도 RISC와 비슷한 공정을 채용해 단일 사이클에 처리하는 명령어를 많이 갖게되었다. 때문에 RISC와 CISC의 차이를 명확하게는 구분할 수 없게 되었고, 결국 캐시에 따른 차이가 두각을 드러냈다. 바로 CISC가 가진 맹목으로, 복합적인 명령어를 많이 가지려고 하다 보니, 트랜지스터 직접도가 과다하게 늘어나는 것이다. CISC가 가진 비효율이라 할 수 있겠다. RISC에서는 이와는 달리 명령어 체계 단순화를 지향하고, 핵심명령 특화 체제에 있어, 트랜지스터 집적에 여분이 있기 때문에 L1 캐시를 증대시켜 성능을 더욱 증대 시키는 것이다.



예를 들면, Pentium Pro의 경우 L1 캐시 16KB(명령어/데이터 캐시 합친 양)이고 L2 캐시를 제외한 펜티엄 프로의 트랜지스터 집적 수가 550만개인데 반해, RISC CPU인 Power PC 604e 프로세서의 경우 L1 캐시가 64KB인데도 트랜지스터는 510만개다. 특히, 604 프로세서의 세부적인 RISC의 특성을 살펴보자면 한 실행주기당 여러 명령을 동시에 처리하는 슈퍼스칼라(6~7개의 명령어를 처리)를 구현하고 있다. RISC가 CISC를 앞서는 구조적 특징이다.