장얼츠 張而馳 <차이신주간> 기자

▲ 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스에서 크리스테 아사노빅 교수와 함께 개방형 프로세서 설계기술인 리스크파이브를 개발한 이윤섭 박사가 보관 중인 프로토타입 칩. 위키백과

2020년 3월 미국 리스크파이브(RISC-V)재단이 스위스에서 등록을 마치고 본사를 스위스로 이전한다고 밝혔다. 이로써 개방 원칙과 국제정치 영향을 받지 않겠다는 초심을 다시 확인했다. 과학기술 경쟁이 치열한 오늘날 이 결정은 반도체업계의 주목을 받았다.
시간을 거슬러 2017년 5월8일, 상하이교통대학에서 반도체업계 회의가 열렸다. 국내외 참석자 200여 명이 회의장을 채웠다. 회의 주제는 ‘프로세서 아키텍처의 미래는 무엇인가’였다. 리스크파이브 아키텍처가 탄생한 뒤 중국에서 처음 열린 세미나였다. 회의에 참석한 많은 사람이 리스크파이브 진영의 주요 인물이 되었다. 사람들은 그날을 ‘계몽의 순간’이라고 평가했다.
그때 이미 프로세서 아키텍처의 경쟁 구도가 굳어 있었다. 미국 인텔의 x86 아키텍처가 PC와 서버 시장을 석권했다. 기업서비스 시장에서 IBM을 비롯한 경쟁사를 막다른 골목으로 몰아넣었다. 영국 ARM의 아키텍처는 스마트폰과 사물인터넷(IoT) 시장에서 통용됐다. 2016년 인텔이 모바일을 위한 차세대 프로세서 개발을 포기한 뒤 경쟁 상대가 없었다.

▲ 2019년 6월 스위스 취리히에서 열린 워크숍에서 크리스테 아사노빅 교수가 기조연설을 통해 리스크파이브 관련 현안과 2020년 전망을 얘기하고 있다. 리스크파이브 재단 누리집

프로세서 신세계
미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스(UC버클리) 크리스테 아사노빅 교수는 한 회의에서 대담한 가설을 제시했다. 한두 기업이 독점하는 업계 구도를 타파하고 개방형 프로세서 아키텍처인 리스크파이브를 보급해 무료로 쓸 수는 없을까? 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)에 대한 생각을 바꿔놓았다. “프로세서 기술이 이미 성숙 단계에 들어가 획기적인 신기술 개발이 불가능하다고 생각했다. 프로세서 명령어를 개방할 수 있다는 말을 듣자 눈앞이 환해지는 느낌이었다.” 쉬타오는 그 회의에서 처음 리스크파이브를 체계적으로 이해했다. 2018년 쉬타오는 사이파이브차이나(上海賽昉科技)의 최고경영자가 되었고 중국 기업에 리스크파이브 제품과 서비스를 제공하고 있다.
‘명령어 집합 구조’(ISA)는 소프트웨어와 하드웨어 사이의 인터페이스로, 일련의 표준화된 규범이다. 모든 소프트웨어 명령어를 이 규범에 따라 프로세서가 이해하는 언어로 번역해야 CPU와 각종 하드웨어가 작동한다. 그래서 모든 명령어 집합의 배후에 각자 소프트웨어 생태계가 있고 경쟁사와 호환되지 않는다. 지난 수십 년 동안 인텔은 마이크로소프트와 동맹하고, ARM은 애플·구글과 동맹해 각자 시장에서 표준이 되었다.
2010년 탄생한 리스크파이브는 ‘신세계’를 만들려 했다. 개방형 소프트웨어 리눅스처럼 비영리재단이 소유하고 모든 기업이 재단에 가입해 리스크파이브 아키텍처를 무료로 쓰고 수정할 수 있는 체제다. 쉬타오는 이 체제를 ‘인민혁명’에 비유했다. 리스크파이브는 한 사람이 만든 게 아니어서 한두 기업이 실패해도 점화된 불길이 들판을 태울 수 있었다.
많은 기업이 관심을 보였다. 2019년 현재 구글, 알리바바, 삼성, 화웨이, 엔비디아, 웨스턴디지털 등 세계 500여 기업이 리스크파이브 개발에 참여하고 해마다 100만 개 넘는 칩을 생산한다. 기업들은 리스크파이브 아키텍처가 무료이고 간결하며 개방적이어서 스마트시티 산업 사물인터넷, 스마트홈 등 파편화된 사물인터넷 분야에 필요한 맞춤형 프로세서로 적합하다고 판단했다. 2019년 12월, 니광난 중국공정원 원사는 CPU 시장을 인텔과 ARM, 리스크파이브가 삼등분할 것으로 예상했다.
리스크파이브는 오픈소스여서 지정학적 충격을 막아낼 수 있다. 개방된 산업표준인 리스크파이브 명령어 집합은 미국의 수출제한 대상에 포함되지 않는다. 미국이 화웨이에 수출을 금지하고 한 달이 지난 2019년 6월, 리스크파이브재단은 본사를 스위스로 옮겨 미국 수출제한 정책 영향에서 벗어나기로 했다. 이 결정으로 여러 국가가 리스크파이브에 주목했다. 인도는 외국 규제에 대비하는 차원에서 정부와 연구기관이 리스크파이브 프로세서 개발에 거액을 투입해 사실상 ‘국가 명령어 집합’으로 만들기로 했다.
ARM은 2017~2035년 세계에서 사용하는 사물인터넷 기기가 1조 대까지 늘어날 것으로 예상했다. 모든 게 연결되는 만물인터넷(IoE) 시장을 포기하지 않고 끊임없이 반격할 태세다. 2019년 10월 ARM은 고객사를 붙잡기 위해 일부 명령어를 무료로 만들 수 있도록 허용했다. 이 틈새에서 리스크파이브가 시작한 프로세서 설계 혁명은 어떻게 진행될까. 수십 년 동안 성장한 인텔의 x86과 ARM 아키텍처에 견줘, 이제 10살 된 리스크파이브가 성숙한 생태계를 갖추려면 시간이 필요하다. 반도체산업 역사에서 일부 프로세서 아키텍처가 오픈소스 길을 걸었지만 크게 성공하진 못했다.

▲ 2019년 12월 삼성전자가 미국 캘리포니아주 새너제이에서 열린 ‘리스크파이브 서밋’에 참가해 리스크파이브를 활용한 반도체 생산 계획을 발표했다. 리스크파이브 재단 누리집

적절한 시기
2010년 5월17일 UC버클리에서 리스크파이브가 탄생했다. 아사노빅 컴퓨터학과 교수는 새 연구과제를 시작하면서 어떤 프로세서 아키텍처를 선택할지 고민했다. 업계에서 통용되는 아키텍처는 두 종류였다. 1978년 나온 인텔 x86 아키텍처는 명령어가 복잡한 CISC(Complex Instruction Set Computer)에 속해 명령어 집합 매뉴얼만 2900쪽이 넘고 외부에서 수정할 수 없었다. 1983년 개발된 ARM 아키텍처는 명령어 개수를 줄여 한 걸음 발전한 RISC(Reduced Instruction Set Computer)에 속하지만 값이 비싸고 명령어 집합의 사용권을 애플 같은 몇몇 대기업에만 팔았다.
이런 제약을 받고 싶지 않던 아사노빅 교수는 박사과정 학생 2명과 함께 3개월 기한의 여름방학 과제를 시작했다. RISC 개발자이자 튜링상(ACM에서 컴퓨터·과학 분야에 업적을 남긴 사람에게 매년 주는 상) 수상자인 데이비드 패터슨을 초청해 도움을 받기도 했다. 1981~88년 UC버클리에서 탄생한 4종의 리스크 프로세서를 기념하기 위해 그들이 개발한 명령어 집합에는 ‘제5세대 리스크’라는 이름을 붙였다. 로마자 Ⅴ를 써서 ‘리스크파이브’로 표기했다.
연구 목적으로 개발한 이 명령어 집합의 특징은 간단함이었다. 하드웨어 명령어가 50개 미만이다. 확장 명령어 집합을 채택해 사용자 필요에 따라 기능을 넓힐 수 있다. 반면 인텔과 ARM 아키텍처는 기존 소프트웨어와 호환하기 위해 1천 개 넘는 명령어를 만들었다. 2010년 가을부터 2014년까지 리스크파이브는 UC버클리 강의에 쓰였다. 교수가 명령어 집합을 수정하고 그에 따른 영향을 연구하도록 과제를 내주기도 했다. 그런데 명령어를 바꿀 때마다 인도 등 다른 지역에서 명령어 집합 수정에 관한 불만이 접수됐다. 아사노빅 교수는 의아했다.
2016년 아사노빅 교수가 공개강연에서 말했다. “처음에는 누구지? UC버클리에서 일어난 일에 왜 참견할까라고 생각했다.” 시간이 지나면서 개방형 아키텍처 수요를 파악했다. 2014년부터 리스크파이브 명령어 집합을 수정하지 않고 고정했다. 2015년 리스크파이브단이 설립됐고 아사노빅 교수가 의장을 맡았다. 같은 해 그와 박사과정에 있던 앤드루 워터맨, 이윤섭은 학교를 떠나 스타트업(신생 벤처기업) 사이파이브를 만들었다. 기업이 필요로 하는 맞춤형 프로세서를 설계해 상업화의 길을 열었다.
바오윈강 중국과학원 컴퓨팅기술연구소 연구원은 “리스크파이브 성장 과정에서 2015년은 본격 보급을 시작한 중요한 이정표가 되었다”고 말했다. 리스크파이브가 유일한 개방형 명령어 집합은 아니었다. 2013년 IBM이 오픈파워 사업을 추진했다. 자사 파워 아키텍처를 개방하고 구글, 엔비디아, 삼성, 인스퍼(浪潮), ZTE 등 130여 개 기업이 가입해 큰 반향을 일으켰다. 하지만 소리만 요란했지 성과가 미미해 많은 회원사가 리스크파이브로 전향했다.
바오윈강은 2015년 리스크파이브를 연구하기 전까지 미국 선에서 개발한 스팍 아키텍처의 오픈소스 버전인 오픈스팍을 사용했다. 수십 년 전 서버를 위해 설계한 이 아키텍처는 코드가 복잡해 전문 엔지니어도 6개월 이상 파고들어야 이해할 수 있었다. 아키텍처 변경은 말할 것도 없었다. 이처럼 문턱이 높아 스팍 오픈소스 커뮤니티는 ‘고인 물’이 되었다.
그는 리스크파이브가 적절한 시기에 나왔다고 말했다. 명령어가 적어 신규 진입자에게 문턱이 낮다. 오픈소스고 무료여서 기업이 자체적으로 리스크파이브 코어를 개발하면 된다. 수백만 또는 수천만달러의 반도체 설계재산(IP) 사용료를 절약해 상업적 장점도 있다. 리스크파이브는 기초 명령어 집합을 고정하고 모듈화 방식으로 확장 명령어 집합을 제공한다. 맞춤형 프로세서를 설계하기 쉽고 사물인터넷의 파편화에 대응할 수 있다.
2018년 나비드 셰르와니 사이파이브 최고경영자는 강연에서 과거 반도체산업은 소량의 ‘킬러 칩’ 개발에 몰두해 컴퓨터와 스마트폰 업계의 성능 개선 수요에 부응했다고 말했다. 그런 사업모델은 소수 프로세서를 대량 출하해 비용을 분담하고, 제조만 맡는 파운드리업체가 더 나은 공법을 개발하도록 지원했다. 셰르와니는 “지금은 사물인터넷처럼 시장이 파편화되고 있다”며 “이들 기업에 1천 종 넘는 프로세서를 설계하도록 요구한다면 감당하지 못할 것”이라고 말했다.
리스크파이브가 성장할 수 있었던 요인 가운데 UC버클리 연구진이 2012년 개발한 새로운 하드웨어 기술 언어(Chisel)가 있다. 바오윈강은 말했다. “반도체 설계 분야에서 많은 사람이 1980년대 초에 고안한 베릴로그를 쓰고 있는데 소프트웨어 업계에서 사용한 어셈블리 언어처럼 개발 효율이 낮다.” 소프트웨어 업계는 시간이 지나면서 C언어와 자바, 파이썬 같은 고급 언어를 썼다. 수백만, 수천만 개 코드를 포함한 복잡한 프로그램을 각각의 모듈로 분해해 수천 명이 나눠서 개발했다. 반도체 설계에서도 신종 언어가 모듈화 개념을 하드웨어 설계에 도입했다. 프로세서를 설계할 때 기존 모듈을 써서 중복 노동을 줄였다.

▲ 2019년 11월 사이파이브가 파키스탄 카라치 NED 공과대학에서 연 심포지엄에 리스크파이브 재단의 주요 인사와 현지 과학기술 분야 전문가가 대거 참석했다. 리스크파이브 재단 누리집

혁명의 추진자
“과거 방식으로는 대형 프로세서를 설계하기 힘들었다. 사람들은 프로세서 개발이 힘들고 몇몇 기업만 할 수 있다고 생각했다.” 바오윈강은 새로운 언어와 방법론이 보급돼 프로세서 설계가 스마트폰 앱 개발처럼 간단해질 수 있다고 말했다.
리스크파이브가 세계에 보급되면서 적잖은 추종자가 생겼다. 사이파이브와 우한신라이(武漢芯來)과학기술 등 스타트업은 리스크파이브 개발에 집중했다. 웨스턴디지털, 엔비디아 등 대기업은 리스크파이브 아키텍처 기반 프로세서를 개발해 비용 절감을 기대한다. 2017년 11월, 미국 스토리지업체 웨스턴디지털은 한 해에 쓰는 10억 개의 프로세서 코어를 리스크파이브 아키텍처로 전환했다고 밝혔다. 자사가 쓰는 코어를 2019년 오픈소스로 공개했다. 웨스턴디지털 고위 임원은 “스토리지 장치의 마이크로컨트롤러(MCU)는 여러 소프트웨어 지원이 필요하지 않다”며 “리스크파이브 아키텍처를 쓰기에 적합하다”고 말했다.
미국 실리콘밸리에 있는 사이파이브도 빠르게 성장했다. 2019년 6월 사이파이브는 시리즈D 투자로 6540만달러(약 802억5천만원)를 조달했다. 청웨이(成為)캐피털과 퀄컴벤처스가 리드투자자로 나섰다. 그전에도 사이파이브는 웨스턴디지털과 SK하이닉스, 인텔캐피털, 화미(華迷)의 투자를 받았다.
이 투자로 사이파이브는 안정적인 고객군을 확보했다. 2019년 화미는 자사 스마트워치에 리스크파이브 아키텍처 프로세서 황산1호를 썼다. 황왕 화미 최고경영자는 프로세서 원가가 1달러 미만으로 시중 제품보다 절반 이상 싸다고 밝혔다. 2019년 12월, 삼성도 사이파이브 고객이 됐다. 밀리미터파 RF칩과 AI 이미지 센서에 사이파이브가 개발한 리스크파이브 IP 코어를 채택할 예정이다.
사이파이브는 중국 시장에도 야심을 품고 있다. 쉬타오가 최고경영자인 사이파이브차이나는 사이파이브가 출자하고 중국 투자자와 관리자가 지분 참여를 한 기업이다. 쉬타오는 “IP 코어 시리즈를 개발하고 핵심 기술을 확보해 독자적으로 국내 고객사에 서비스를 제공할 것”이라고 강조했다. 쉬타오는 2019년에만 400여 중국 고객사와 접촉했고 100여 명인 직원 규모를 500~700명으로 늘릴 계획이다.
중국 리스크파이브 진영에서 가장 주목받는 기업은 알리바바그룹 계열 핑터우거반도체(平頭哥半導體有限公司)다. 장젠펑 알리바바클라우드 스마트사업부문 사장이 지휘한다. 2018년 9월, 알리바바는 내부 반도체사업부와 인수한 반도체 설계업체 중톈웨이시스템(中天微系統有限公司)을 통합한다고 밝혔다. 100% 지분을 보유한 이 기업이 핑터우거다.
알리바바는 일찍부터 반도체산업에 진출할 계획이었다. ARM차이나 관계자는 “ARM이 중국 합자회사 설립을 준비할 때 손정의 소프트뱅크 회장이 알리바바의 지분투자를 고려했다”며 “알리바바는 경쟁사가 너무 많기에 ARM이 업계에서 중립을 지켜야 한다는 이유로 투자가 성사되지 않았다”고 전했다. 2018년 4월 설립된 ARM 중국 합자회사의 지분은 허우부(厚補) 등 재무투자자가 51%, ARM이 49%였다. 같은 달 알리바바는 중톈웨이시스템을 인수했다. 2001년 설립된 중톈웨이는 처음에 모토롤라의 프로세서 명령어 집합을 채택했다가 10년 넘게 독자 개발을 추진했다.
멍젠이 핑터우거 부사장은 개방을 향하는 사회 흐름에 맞는 리스크파이브를 중요하게 생각했다. “규모가 큰 기반시설은 기본적으로 개방을 지향한다. 예를 들어 5세대(5G) 통신이 세계에서 통용되려면 반드시 국제 표준을 따라야 한다. 국제 표준은 개방적이다.” 2015년 UC버클리 연구팀이 첫 세미나를 열었을 때부터 멍젠이 부사장은 이 아키텍처에 주목했고 2017년 상하이교통대학에서 열린 회의에도 참석했다.
2018년 9월 중톈웨이가 첫 리스크파이브 작품인 CK902를 출시했다. 저전력 사물인터넷 프로세서였다. 2019년 7월에는 고성능 IP 코어 쉬안톄(玄鐵) 910을 공개했다. 리스크파이브 아키텍처를 기반으로 50여 개 명령어를 확장해 5G 기지국과 인공지능 가속 칩, 자율주행 등에 적용할 수 있다. 2019년 8월에는 여러 반도체 제품이 칩 하나에 집적되는 SoC 설계 플랫폼 우젠(舞劍)을 공개했다. 프로세서와 각종 IP, 운영체제, 소프트웨어 구동기, 개발도구 등이 포함됐다.
멍젠이는 소프트웨어에 비유해, 쉬엔티에 프로세서는 리눅스, 우젠은 리눅스를 기반으로 만든 안드로이드 운영체제에 해당한다고 설명했다. 각 분야 기업과 협력해 다양한 환경에 적용할 수 있다는 것이다. 그는 2020년 하반기에 시제품이 출시될 것으로 예상했다.
셩링하이 가트너 부사장은 리스크파이브라는 새 아키텍처로 세계 기업이 대부분 같은 출발선에 있기에 새 진입자인 알리바바가 성과를 기대할 수도 있다고 말했다. “사이파이브는 실리콘밸리에 있고 퀄컴을 비롯한 대기업이 지원해 상대적으로 유리하다.” 핑터우거의 강점은 ‘항공모함’ 한 척이 든든하게 버티고 있는 것이다. 알리바바 자체 수요만 해도 상당하다. 그는 중국에서 시작된 리스크파이브 열풍을 업계가 냉정하게 판단하라고 당부했다. 오픈소스와 개방은 새로운 상황이기 때문이다. “이 분야에서 얻을 이익만 기대하지 말고 모두가 함께 생태계를 키워야 한다.”

ⓒ 財新週刊 2020년 제13호
芯片設計進入革命時刻
번역 유인영 위원