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IA-64


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<bgcolor=#96834a> 명령어 집합
CISC x86 (AMD64● · IA-32● · IA-16) · M68K · MC68xx · MOS 65xx · Z80 · 8080 · 8051
System/360 · z/Architecture · PDP-11 · VAX
RISC Arm (A64 · A32 · T32) · RISC-V● · MIPS● · DEC Alpha● · Power ISA IBM Power · PowerPC · CELL-BE
LoongArch · OpenRISC · PA-RISC · SPARC
SuperH · Xtensa · AVR AVR32
VLIW
EPIC
E2K · IA-64 · Crusoe

1. 개요2. 특징3. 역사
3.1. 개발3.2. 현실과 몰락3.3. 단종과 소프트웨어 도태
4. 상세
4.1. 명령어 인코딩4.2. 레지스터
4.2.1. 레지스터 스택4.2.2. 레지스터 회전
4.3. Predication4.4. Speculation4.5. IA-32 실행 모드4.6. 시스템 아키텍처
4.6.1. 가상 메모리
4.7. 명령어 목록
5. 여담6. 관련 문서

1. 개요

인텔이 휴렛팩커드와 공동으로 개발한 VLIW 기반 64비트 명령어 집합으로, 2001년 처음 출시되어 2021년 단종된 인텔 아이태니엄 시리즈 프로세서에 적용되었다.

기존 32비트 ISA인 IA-32와는 독립적인, 당대 학계의 최신 연구를 반영한 혁신적인 새 명령어 집합 설계를 도입하였기 때문에 당시 64비트 시장의 지배적인 위치로 떠오를 것으로 예상됐으나, 실상은 전혀 그렇지 않았다. IA-64 제품인 아이태니엄이 출시 지연 및 수많은 문제점으로 인해 서버 시장에서 AMD에서 내놓은 AMD 옵테론 시리즈에 밀린 것은 물론이고, 인텔 또한 결국 x86을 확장한 AMD의 AMD64(x86-64)를 채택하여 잊혀진 존재가 됐다.

최근에는 그나마 남아있던 OS/컴파일러 지원마저도 레거시로 분류되어 제거되고 있다.

2. 특징

3. 역사

1990년대 초 HP는 PA-RISC의 후속으로 VLIW 아키텍처인 PA-WW를 연구하고 있었고, 단독 개발에 한계를 느껴 1993년 말 인텔에 협력을 제안했다.

같은 시기 인텔 또한 x86을 64비트로 확장하는 대신 새로운 아키텍처를 고려하고 있었다. 1980년대부터 이미 x86을 포함한 CISC가 구닥다리 소리를 듣고 있었고, 과거 인텔이 세컨드 소스 계약을 일방적으로 파기하고 x86을 독점하려고 시도했지만 긴 소송전 끝에 호환 프로세서를 제조하는 경쟁사를 x86 시장에서 배제할 수 없게 되었기 때문이다.

당시 UIUC에서 진행되던 IMPACT 컴파일러 연구의 성과로 VLIW의 예상 성능이 크게 상승했던 분위기에서 적은 하드웨어 복잡도로 높은 성능을 달성할 수 있는 VLIW 구조는 두 회사에게 매력적인 옵션이었고, 1994년 상반기동안 HP와 인텔이 연구하던 여러 차세대 아키텍처를 비교해 검토한 끝에 두 회사는 HP의 PA-WW를 차세대 아키텍처로 결정하게 되었다.

반면 경쟁 업체였던 AMD는 인텔의 차세대 64비트 아키텍처에 대항해 독자적으로 x86을 확장한 AMD64를 통해 기존 x86의 문제를 끌어안고 가면서 개선하는 방법을 선택했고 양사의 선택은 불과 몇 년 후 명암이 갈리게 됐다.

3.1. 개발

1994년 6월 인텔과 HP가 차세대 64비트 아키텍처 공동 개발을 발표했다. IA-32(=x86)에서 시장의 절대 강자가 된 인텔과 PA-RISC 및 HP-UX를 만들던 HP의 협력 덕에 64비트 시장에서의 기존 경쟁자인 MIPS, DEC Alpha, SPARC, POWER, PowerPC 등의 RISC 칩들을 모조리 물리칠 것으로 예상됐었다.

이에 따라, 당시 서버 시장을 매의 눈으로 노리고 있던 마이크로소프트를 위시하여 기존 서버 업체였던 IBM, 썬 마이크로시스템즈, 실리콘 그래픽스 등의 회사들도 IA-64 기반 서버를 개발했다.

인텔이 기존 32비트 아키텍처를 IA-32로 명명하게 되면서 1996년 초 새 아키텍처에는 IA-64라는 명칭이 붙게 되었다.

1997년 10월 두 회사는 차세대 아키텍처에 사용된 기술을 "EPIC"으로 명명하며 기술적인 특징을 발표하였다. EPIC은 Explicitly Parallel Instruction Computing의 약자로, VLIW의 일종이다. VLIW는 Very Long Instruction Word의 약자로, CISC에 비해 한 개의 명령어를 극히 단순화시켜 처리의 효율성을 추구하는 RISC와 달리, 무지막지하게 긴 명령어를 통해서 처리의 효율성을 꾀한다. 즉, 명령어 여러 개를 한 사이클당 한 명령어씩 실행하는 방식이 아닌, 여러 가지 명령어들 중 병렬 실행이 가능한 명령어들 세 개를 이어 붙여서 하나의 긴 명령어로 만들어 그 긴 명령어 하나를 한 사이클에 처리하는 것이다. 하지만 VLIW의 코드는 스케줄된 파이프라인에 묶여져 있기 때문에 파이프라인의 깊이나 실행 유닛의 결합을 바꾸는 것이 불가능하거나, 바꾸기 위해서는 코드를 다시 컴파일해야 한다는 단점이 있다. EPIC은 VLIW 구조에 RISC를 참조해서 이러한 단점을 해결했으며 레지스터 관련 기능 등이 추가됐다. #

1999년 5월 사양 문서가 공개되었고, 소프트웨어 이식이 시작되었다.

3.2. 현실과 몰락

인텔은 IA-32로 데스크탑 시장을 지배하는 것과 동시에 타사의 RISC를 능가할 VLIW 명령어 집합을 채택한 우수한 IA-64 마이크로프로세서 아키텍처로 서버 시장까지도 석권하여 그랜드슬램을 달성할 차세대 유망주로 기대됐다. 하지만 여러 가지 이유로 현실은 그러지 못했다.

뒤늦은 초기 출시 이후에도 아이태니엄 칩의 성능은 좀처럼 향상되지 않았고, 2003년에 x86 위에 64비트 명령어를 확장시킨 AMD64가 등장하고 인텔도 2004년 EM64T라는 이름으로 AMD64 지원을 발표하면서 사실상 데스크탑 시장으로의 아이태니엄 도입 시도는 인텔의 항복으로 끝나고 말았다. 실제로 CPU 아키텍처 교재로 유명한 '컴퓨터 구조 및 설계'의 저자 페터슨 교수 등은 이 사건에 대해 인텔이 항복했다는 표현을 해당 교재에 실제로 수록했다. 그나마 순화된 표현이 arstechnica의 편집장의 인텔이 자신의 실수를 인정했다 정도.

이후 2004년 휴렛 팩커드도 아이태니엄 개발을 포기하고 인텔에게 개발 보조금을 지급하는 방식으로 바뀌었고 인텔만이 개발하게 됐으며, 마이크로소프트도 Windows XP Professional 64-bit Itanium 버전의 판매를 종료하고 Professional x64 Edition을 판매하기 시작한다.

Windows Server 역시 Windows Server 2008 R2까지 지원하다가, Windows Server 2012에서 아이태니엄 지원을 중단하여 마이크로소프트는 완전히 손을 떼고 만다. 레드햇과 오라클도 모든 소프트웨어 개발 포기를 천명했고, 마지막까지 남은 건 휴렛 팩커드의 아이태니엄용 HP-UX뿐이다. 이 시점에서는 인텔도 아이태니엄을 내던지고 싶은데 공동 개발사인 휴렛 팩커드와의 계약 관계 때문에 억지로 끌고 나가는 상황이었다. 심지어는 아이태니엄용 HP-UX의 메이저 업데이트도 2007년이 마지막이었고, 휴렛 팩커드 또한 이 즈음에 아이태니엄에 대한 희망을 놓은 것으로 보인다.

2011년까지 남아있는 아이태니엄의 세력은 적극적으로 일본 시장에 파고들어서 살아남은 NEC 등의 독자적인 메인 프레임 시장 및 HP-UX 서버 일부에만 잔존한 상태다. 인텔에서 파악한 바로는 2011년 기준 아이태니엄 시장의 크기는 40억 달러로 추산했다. 슈퍼컴퓨터 TOP500에서도 2004년에 1위를 한 NASA의 슈퍼컴퓨터 컬럼비아가 아이태니엄 2를 1만 개나 때려박아서 달성했다. 시장 점유율도 한때 10~20%를 차지했지만 지금은 목록에서 안 보인다.

결국 아이태니엄의 상태는 계륵만도 못한 사실상 버린 자식이다. 인텔과 휴렛 팩커드 입장에서도 기존 고객들을 x86-64 기반의 제온 서버로 계속 이주를 시키고 있는 판이지만, 중요한 대규모 인프라에 아이태니엄을 여전히 쓰고 있는 일부 고객들과의 약속이 걸린 문제이기 때문에 아직도 라인업을 유지는 시키고 있는 것. 심지어 2016년 2월에 나온 기사로는 새 아이태니엄은 휴렛 팩커드를 통해 주문 제작을 받는 식으로 만들어질 것이라는 이야기까지 들릴 지경.

3.3. 단종과 소프트웨어 도태

인텔은 2017년 5월 마지막 프로세서 Kittson을 출시하면서 후속작 없이 아이태니엄이 단종될 것임을 예고하였고, 2019년 1월 아이태니엄의 단종을 공식 발표하였다. 같은 해 소프트웨어 생태계 또한 차례로 IA-64 지원을 중단하기 시작하였다.

QEMU는 2017년 일찍이 IA-64 지원을 제거했으며, 아이태니엄용 SQL Server 2008과 2008 R2는 2019년 7월에 지원이 종료되었다. 2020년 Windows Server 2008 R2의 연장 지원 또한 종료되었다.

리눅스의 경우 인텔의 관리자가 물러나 2021년 초 출시된 5.11부터 orphaned 상태가 되었으며, 2023년 10월 출시되어 2027년 12월 지원이 종료되는 6.6 커널을 마지막으로 6.7부터 IA-64 지원이 완전히 제거되었다. glibc 또한 곧 이어 IA-64 지원을 제거했다.

그나마 GCC에서 지원 종료가 번복되는 등 일부 소프트웨어에 IA-64 지원이 남아 있으나, 장기간 방치에 가깝게 최소한의 유지보수만 이뤄지고 있는 상태로 머지 않아 IA-64 관련 코드가 제거될 것으로 보인다.

4. 상세

4.1. 명령어 인코딩

IA-64는 명령어를 128비트(16바이트) 크기의 번들 단위로 인코딩하며, 한 번들에는 최대 3개의 명령어가 포함될 수 있다.

하나의 번들은 41비트 크기의 명령어 필드 3개 및 5비트 크기의 template 필드로 구성되어 있다. 이 template 필드는 각 명령어가 사용하는 유닛의 종류 및 "stop"의 위치를 기록한다. 이때 일반적인 RISC 명령어와 달리 template 값에 따라 같은 필드의 값도 다른 명령어로 해석될 수 있으므로 주의.
명령어 필드 형식(template) 명령어 1 명령어 2 명령어 3
비트 수 5-bit 41-bit 41-bit 41-bit
(단, 64-bit immediate 또는 long displacement를 사용하는 branch/call 등 명령어는 2개 명령어 필드를 사용해 82비트 크기로 인코딩된다.)

여기서 "stop"은 개념상 명령어 사이에 위치하여 의존 관계를 나타내는 표지이며, 의존 관계를 stop을 사용하여 명시적으로 표현함으로써 불필요한 NOP의 발생을 줄이고, 프로세서의 너비 및 실행 유닛 구성이 명령어 아키텍처에 의해 제약받지 않도록 할 수 있다.

각각의 명령어에는 6비트 크기의 qualifying predicate 필드가 있어 predicate 레지스터의 값에 따라 실행 여부가 결정된다. 명령어에 따라 100가지 이상의 세부 인코딩이 존재하기 때문에 모든 인코딩을 나열하지는 않는다.

Template field의 값에 따라 각 명령어는 다음과 같은 실행 유닛에 배정된다:

4.2. 레지스터

4.2.1. 레지스터 스택

IA-64의 128개 정수 레지스터 중 96개(r32-r127)는 스택 형태로 관리된다. 이때 스택 프레임은 alloc 명령어를 통해 가변적으로 할당된다.

함수 호출 시 하드웨어가 레지스터 윈도우를 자동으로 슬라이딩시켜 파라미터 전달을 처리하며, 물리 레지스터가 부족하면 하드웨어가 직접 spill/fill 작업을 수행한다.

4.2.2. 레지스터 회전

소프트웨어 파이프라이닝(Software Pipelining)을 돕기 위해 도입된 기능이다. 루프가 한 번 반복될 때마다 레지스터의 논리적 번호가 이동한다. 예를 들어, 루프의 첫 실행에서 r32에 저장된 값은 다음 반복에서 r33으로 접근 가능하다. 이를 통해 루프 내에서 변수 이름을 바꾸지 않고도 파이프라인 단계별로 데이터를 유지할 수 있어, 루프 언롤링(Loop Unrolling) 없이도 높은 병렬성을 달성하고 코드 크기를 줄일 수 있다.

4.3. Predication

IA-64 아키텍처의 핵심 기능 중 하나로, 분기 예측(Branch Prediction) 실패에 따른 파이프라인 지연을 줄이기 위해 도입되었다. 모든 명령어는 64개의 Predicate Register(p0~p63) 중 하나를 참조하며, 해당 레지스터의 값이 참(True, 1)일 때만 결과가 반영(Commit)되고, 거짓(False, 0)이면 해당 명령어는 NOP(No Operation)처럼 취급되어 실행되지 않는다.
예를 들어 C언어의 if (a > b) c = d; else e = f;와 같은 구문은 분기 명령어 없이 다음과 같이 처리될 수 있다.
  1. cmp.gt p1, p2 = rA, rB (rA > rB인지 비교하여 결과에 따라 p1과 p2를 상호 반대로 설정)
  2. (p1) mov rC = rD (p1이 참일 때만 실행)
  3. (p2) mov rE = rF (p2가 참일 때만 실행)

이를 통해 작은 조건문의 경우 분기 예측 실패로 인한 파이프라인 플러시(Flush) 비용을 완전히 제거할 수 있다. p0은 항상 참(True)으로 고정되어 있어, 일반적인 무조건 실행 명령어는 (p0)을 생략한 것으로 간주한다.

4.4. Speculation

메모리 지연 시간(Memory Latency)을 숨기기 위해 데이터가 실제로 필요하기 전에 미리 로드하는 기법을 하드웨어적으로 강력하게 지원한다. 크게 제어 추측(Control Speculation)와 데이터 추측(Data Speculation)으로 나뉜다.

4.5. IA-32 실행 모드

IA-64에는 x86 명령어를 직접 실행하는 IA-32 모드가 존재하였다. IA-64 모드에서 전용 점프 명령(br.ia)을 통해 IA-32 모드로 진입할 수 있었고, IA-32 모드에서는 새로 추가된 전용 명령어(JMPE)를 사용해 IA-64로 복귀할 수 있다.

그러나 하드웨어 구현이 2000년대 초반 출시된 프로세서임에도 1세대 Merced의 경우 1994년 출시된 펜티엄 75MHz~100MHz, 2세대 McKinley의 경우 초기 펜티엄 II 수준으로 매우 느려 차라리 소프트웨어 에뮬레이션이 몇 배 더 빠를 지경이었고, 이후 2006년 출시된 Montecito 및 이후 아이태니엄 프로세서에서는 아예 하드웨어 x86 지원을 제거하고 x86 호환이 필요한 경우 자체 번역 소프트웨어인 IA-32 EL을 사용해 실행하게 되었다.

4.6. 시스템 아키텍처

운영체제 등 시스템 소프트웨어만 다루는 부분으로, 주소 변환 및 메모리 보호, 특권 수준과 인터럽트 등이 여기에 속한다.

4.6.1. 가상 메모리

IA-64는 매우 광범위한 64비트 가상 주소 공간을 지원하며, 이를 효율적으로 관리하기 위해 독특한 주소 변환 구조를 가진다.

4.7. 명령어 목록

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참고하십시오.

5. 여담

6. 관련 문서



[1] 아래 서술되어 있듯이 인텔은 아이태니엄으로 별 재미를 못 보자 2011년에 컴파일러 팀을 대부분 해체했다. 이는 아이태니엄이 단종되기 10년 전 일이었다.


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