Lemote Yeeloong 노트북과 OpenBSD로 드래곤(Dragons) 극복하기

이제 제 경우, 이것이 MIPS 계열 시스템이라는 사실은 저의 독특한 노트북 컬렉션에 반드시 하나쯤은 필요하다는 것을 의미했습니다. 그리고 이것이 OpenBSD를 실행할 수 있기 때문에...

물론 이것이 우리가 다뤄본 첫 번째 MIPS 노트북은 아닙니다. IBM의 MIPS 기반 'not-a-ThinkPad'에 관한 기사는 시대를 초월하여 꾸준히 인기가 있으며, MIPS는 쉽게 루트(root) 권한을 얻을 수 있는 모델을 포함하여 우리가 사용한 몇몇 Sun Ray 노트북에도 사용되었습니다. 하지만 이것은 Floodgap Orbiting HQ에서 보유한 첫 번째 64비트 MIPS 노트북이며, 분명 가장 작은 모델이기도 합니다. 또한 이 프로세서의 출처는 훨씬 더 흥미롭습니다. 이 시리즈의 후기 칩들은 영어로 비교적 잘 문서화되어 있지만, 초기 모델들은 주로 표준 중국어(Standard Chinese)로만 논의된다는 점을 언급해야겠습니다. 그리고 저의 중국어 번역 능력은 일본어 능력보다 훨씬 더 떨어집니다. 하지만 이 초기 칩들이 바로 우리가 '이유(why)'를 찾을 수 있는 지점이기에, 최선을 다해 보겠습니다. 중국어 1차 사료와 서구의 2차 보도 사이에 의견 차이가 있는 경우(그리고 실제로 많은 불일치가 존재합니다), 명백한 이유로 저는 일반적으로 전자의 설명을 선호했습니다. 이로 인해 발생하는 부정확함에 대해서는 양해를 부탁드립니다. 谢谢.

지도부의 반도체에 대한 강력한 관심에도 불구하고, 1990년대 내내 중국에서는 외국산 프로세서 설계가 지배적이었습니다. 최첨단 제조(fabrication) 및 설계 역량의 부족은 초기 산업 리더십을 극복할 수 없는 수준으로 만들었으며, 2천 년기 초반에 이르러서는 ARM 및 Intel과 같은 기성 업체들이 중국 본토에서도 압도적인 시장 점유율을 차지하고 있었습니다. 그 결과, 이전에도 더 제한적인 형태의 자체 마이크로프로세서 (microprocessor) 설계와 클론(clones)이 존재하기는 했으나, 어떤 의미에서든 시장 리더들과 경쟁할 수 있는 중국 개발 CPU가 등장하기까지는 수십 년이 걸렸습니다. 2001년, 중국과학원 (CAS) 산하 계산기술연구소 (ICT)는 수석 설계자 Hu Weiwu의 주도하에 제10차 5개년 계획과 863 프로그램의 지속적인 지원을 받아 자체적인 시도로 새로운 고성능 칩 개발에 착수했으며, 이는 Jiang Zemin 체제하에서 장기적인 R&D 파이프라인으로 전환되었습니다.

공식 명칭은 龙芯으로, 보통 병음(Pinyin)으로는 Lóngxīn, 번역하면 "드래곤 코어 (dragon core)"라고 합니다. 하지만 개발자들은 이와 발음이 유사한 Gǒdsón이라는 음차를 사용했는데, 이는 "개 사료" 또는 "개에게 적합한 음식"과 같은 의미를 가집니다. 다만, 중국어에는 많은 언어유희(puns)가 존재하며, 사전과 언어학 학위를 가진 이 백인 청년이 이 의미를 제대로 파악하지 못했을 수도 있다는 점을 말씀드립니다. 이 의미를 가정한다면, 이러한 의도적인 불쾌한 명칭(dysphemism)은 악령이 아이를 해치지 않도록 아이에게 나쁜 이름을 지어주던 오래된 미신에서 유래했을 가능성이 큽니다. 즉, 새로운 칩이 유아기를 무사히 넘기기를 바라는 마음과, 자신의 제품을 직접 사용해 본다는 "자신의 개 사료를 먹다 (eating your own dog food)"라는 개념이 절묘하게 맞아떨어진 것입니다.

그 결과 탄생한 Godson-1은 ICT와 Jiangsu Zhongyi Group의 팹리스 (fabless) 합작 투자사인 BLX IC Design Corporation Ltd.에 의해 2002년 9월 28일에 공식 출시되었습니다. 이 칩은 4mm² 크기의 다이 (die) 위에 400만 개의 트랜지스터를 포함하고 있었으며, 상하이에 본사를 둔 Semiconductor Manufacturing International Corporation에서 6개 금속 층을 가진 180nm 공정으로 제조되었습니다. 이 칩은 커스텀 마더보드 (custom motherboard)로부터 클록 신호 (clock signal)를 두 배로 받아, 7단계 파이프라인 (seven-stage pipeline)을 1와트 미만(200MHz에서 0.4W)의 전력 소비로 최대 266MHz까지 구동했습니다. 명령어 (instruction) 및 데이터 (data)용으로 각각 8K의 L1 캐시 (L1 cache)를 탑장하였으며, 레지스터 리네이밍 (register renaming, 단 추가된 8개의 세트는 정수 연산만 가능), 분기 예측 (branch prediction), 동적 스케줄링 (dynamic scheduling) 및 단일 메모리 액세스 유닛 (memory access unit), 2개의 고정 소수점 유닛 (fixed-point units), 그리고 제한적인 형태의 SIMD를 지원하는 2개의 부동 소수점 유닛 (floating-point units)을 갖춘 비순차적 실행 (out-of-order execution)을 지원했습니다. SGI MIPS와 달리 Godson-1은 리틀 엔디언 (little-endian) 방식으로만 구동되었으며, Red Hat Linux 7.1 및 VXWorks 포트가 제공되었습니다. 설계자들은 200MHz에서의 성능이 (당시 기준) 180MHz R5000을 탑재한 5년 된 SGI O2와 유사할 것으로 추정했습니다. 이는 L2 캐시 (L2 cache) 지원의 부재, 더 큰 노드 크기 (node size), 그리고 상대적으로 정교하지 못한 회로 설계로 인해 저하된 수치였지만, 이 칩은 실제로 존재했고, 실제로 제조되었으며, 실제 코드를 실행했습니다.

Godson-1의 성공적인 등장은 당연히 중국 본토의 후원자들과 중국 정부를 기쁘게 했지만, 미소 짓지 않은 기업이 하나 있었으니 바로 MIPS Technologies였습니다. 이 회사는 이전 소유주였던 Silicon Graphics가 임베디드 시장을 위해 1998년 3월에 분사한 곳입니다. MTI(MIPS Technologies)가 이토록 깊은 불쾌감을 느낀 이유는 BLX가 ISA(명령어 집합 구조)에 대한 라이선스나 브랜드 사용 권한이 없고 직접적인 호환성도 없음에도 불구하고, Godson-1을 "MIPS와 유사한(MIPS-like)" 제품으로 홍보했기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 그들의 반대는 AMD가 2003년 12월 BLX와 함께 베이징에 공동 개발 센터를 설립하는 것을 막지 못했습니다. 이 센터는 Godson-1과 (MIPS 라이선스를 받은) Alchemy Au1500(당사 Sun Ray 2 노트북의 주력 칩)을 모두 기반으로 하는 씬 클라이언트(thin clients)를 생산하기 위한 것이었습니다. Godson-1 자체는 네트워크 컴퓨터로서 제한적인 용도로 사용되었지만, 그 GS232 코어는 이후 내열성 및 내방사선(radiation-hardened) 변형 모델들과 함께 수많은 후속 임베디드 코어의 기반이 되었습니다.

Microprocessor Reports의 수석 설계자 Hu는 이 칩의 의도된 목적이 대부분의 중국인이 감당할 수 있는 "매우 저렴한 PC"를 위한 CPU로서, "하이엔드 임베디드 애플리케이션과 로우엔드 데스크톱 애플리케이션"을 실행하는 것이라고 언급했습니다. 새로운 Godson-2는 비순차 실행(out-of-order execution)을 지원하는 4-way 슈퍼스칼라(superscalar) 구조였으며, 더 높은 클록 속도를 위해 더 긴 9단계 파이프라인(pipeline)을 채택했습니다. 또한 64K 4-way 연관(four-way-associative) I-캐시 및 D-캐시, (48개에서 증가한) 64개의 엔트리 번역 루크어사이드 버퍼(TLB, translation lookaside buffer), 더 효과적인 레지스터 리네이밍(register renaming)을 위한 각각 64개의 범용 레지스터(GPR) 및 부동 소수점 레지스터(FPR), 그리고 Godson-1의 페이지당 NX(no-execute) 비트를 유지하면서도 최대 8MB까지 지원하는 외부 L2 캐시를 갖추었습니다. 확장된 분기 예측(branch prediction) 하드웨어는 4K 엔트리 분기 이력 테이블(branch history table), 9비트 전역 이력 레지스터(global history register), 4개 엔트리 반환 주소 스택(return address stack), 16개 엔트리 분기 타겟 버퍼(branch target buffer)를 통해 더 커진 파이프라인 지연 시간(latency)을 보완했습니다. 그러나 동일한 단일 메모리 액세스 유닛과 쌍을 이루는 정수 및 FPU(부동 소수점 유닛)가 그대로 유지되었으며, 추가된 커스텀 SIMD 명령어들은 불행히도 기본 MIPS ISA와 충돌했습니다.

Godson-2의 첫 번째 반복 버전(사후에 Godson-2A로 명명됨)은 레지스터 파일 (register file) 구현 문제로 인해 테이프아웃 (tapeout) 단계에서 실패했으며, 이를 커스텀 버전으로 교체해야 했고 이는 2003년 Godson-2B로 출시되었습니다. Godson-2B는 SMIC에 의해 6개 금속 층을 가진 동일한 180nm 공정으로 제조되었으나, ICT가 (비록 줄어들긴 했지만) 표준 셀 (standard cells)을 계속 사용함에 따라 더 절약적인 설계보다 더 많은 트랜지스터를 사용해야 했고, 이에 따라 1,350만 개의 트랜지스터를 가진 다이 (die) 크기가 6.7mm x 6.2mm로 커졌습니다. 이 칩은 약 4W의 전력을 사용하여 최대 500MHz로 구동할 수 있었습니다 (400MHz에서는 2-3W).

Godson-2B 출시 이후 불안정한 진화가 이어졌습니다. Godson-2C는 2004년 10월에 설계를 더욱 간소화하여 보고된 바에 따르면 약 3배 더 빠르게 작동했으나, Godson-2D의 계획된 130nm 공정 미세화는 자체적인 치명적인 테이프아웃 (tapeout) 문제를 일으켰고 마찬가지로 양산에 실패했습니다. 2005년 무렵 상황이 (Hu의 표현을 빌리자면) "절망적"이 되자, 팀은 속도를 맞추기 위해 Godson-2E를 위해 90nm로 직접 도약하기로 결정했으며 파트너이자 설계 컨설턴트로 STMicroelectronics를 영입했습니다. 2006년 3월의 새로운 칩은 6.8mm x 5.2mm 크기의 다이에 4,700만 개의 트랜지스터가 집적되며 규모가 커졌지만, 공정 미세화를 통해 단 5W 정도의 전력을 소모하면서 처음으로 1GHz에 도달할 수 있었습니다. 실행 방지 비트 (no-execute bit) 로직을 제거함으로써 다이 공간을 절약했으며, 온칩 (on-chip) 512K L2 캐시와 통합된 DDR 메모리 컨트롤러 (integrated DDR memory controller)를 통해 추가적인 성능을 확보했습니다.

Godson-2E의 발전은 마침내 Hu와 ICT 팀이 계획했던 대로 저비용의 자체 제작 컴퓨터를 구동하기에 충분할 만큼 적합해졌습니다. 그리고 2006년 6월, ICT와 새로운 파트너인 Jiangsu Menglan Group 간의 또 다른 합작 투자 스핀오프(spinoff)가 형성되었습니다. 이번 파트너는 Jiangsu Lemote Tech Co., Ltd. (航天龙梦, "aerospace dragon dream"), 줄여서 Lemote입니다. Lemote의 첫 번째 컴퓨터 제품은 10월에 출시된 소형 데스크톱 Fuloong 2E 福瓏이었으며, 수율(yield)을 높이기 위해 STMicroelectronics에서 제조한 667MHz CPU를 탑재했습니다. 이 제품은 저렴한 가격으로 설계되었으며, 기성 부품(off-the-shelf components)을 사용하여 빠르게 판매될 수 있도록 제작되었습니다. 256MB의 DDR SDRAM, Realtek 8139D 이더넷(Ethernet), 40GB 또는 60GB IDE 하드 디스크, 4개의 USB 2 포트, 그리고 ATI Radeon 7000 GPU를 포함하여 출하되었습니다. 특히, Fuloong은 오픈 소스 PMON 부트로더(bootloader)의 수정 버전을 사용하는 중국어 로컬라이즈(localized)된 Linux를 실행했는데, 이에 대해서는 곧 더 자세히 다루겠습니다.

새로운 제품과 새로운 회사와 함께 칩 제품군을 위한 새로운 상업 브랜드인 Loongson도 등장했습니다. 이는 동일한 한자를 사용하지만, 표준적인 음차(transliteration)에 더 가깝게 맞추었으며 일반적인 마케팅을 위해 드래곤(dragon) 테마를 노골적으로 수용했습니다. 실제로 중국어로 Fuloong을 쓰는 데 사용된 글자들은 "드래곤의 축복"과 같은 의미를 암시합니다 (다시 한번 말하지만, 제가 번역하는 내용을 너무 진지하게 받아들이지는 마세요). Godson이라는 이름은 학술적 명칭으로 그대로 유지되었습니다.

STMicroelectronics는 12월에 해당 칩을 공식적으로 인수하며, ICT 및 BLX plus와 향후 5년간 독점 계약을 체결하고 단위당 로열티를 포함하여 CN¥30백만 원을 투자했습니다. 이 계약 조건 덕분에 Loongson-2E와 곧 출시될 Loongson-2F 모두 생산할 수 있었지만, 2E의 FPGA 기반 Bonito 노스브릿지는 대량으로 제조하기에 비용이 많이 들었고 실제로 Fuloong 2E만이 해당 프로세서를 사용했습니다. Loongson-2F는 수정된 Bonito 노스브릿지와 온다이(on-die) 133MHz PCI-X 컨트롤러를 통합하여 이 문제를 해결했으며, 이를 통해 ICT가 GS464 코어라고 부르는 51백만 트랜지스터의 칩을 얻었고, 이는 2007년 7월 31일에 양산용으로 테이프아웃(taped out)되었습니다. MIPS Technologies와 ICT 간의 합의에 따라 STMicroelectronics는 자사의 Loongson 부품 전용 MIPS 라이선스를 구매하여, 해당 제품을 역사상 처음으로 공식적으로 'MIPS 호환(MIPS-compatible)'으로 홍보할 수 있게 되었습니다. 이 회사는 약간의 차이가 있는 초기 모델인 STLS2F01과 훨씬 더 흔한 STLS2F02 두 가지 형태의 2F를 제작했으며, 둘 다 416핀 플립칩 볼 그리드 어레이(flip-chip ball grid array) 위에 27x27x2.9mm 히트 스프레더를 사용했습니다.

Lemote는 2F를 출하 제품에 탑재하는 데 시간을 지체하지 않았고, 2008년 6월에는 업그레이드된 Fuloong 2F로 시작했습니다. 1GHz Loongson-2F를 사용하여 출시되었으며, 512MB의 DDR2 SDRAM, 120GB 하드 디스크, USB 2 포트 4개, XGI V2 그래픽, Realtek 8110SC 기가비트 이더넷 및 IDE, USB, AC'97 코덱을 제공하는 사우스브릿지(southbridge)인 AMD CS5536이 탑재되었고, CN¥1800(현물 환율로 약 $257, 2026년 달러 기준로는 그보다 약간 적은 금액)의 매력적인 가격에 판매되었습니다. 하지만 동시에 훨씬 더 작은 시스템이 개발 중이었고, Loongson-2F의 낮은 전력 사용량 덕분에 이제 이는 충분히 가능해 보였습니다.

2008년 10월에 발표된 Lemote Yeeloong 逸珑 ("탈출한 용"과 유사한 의미)은 최초의 Loongson 기반 노트북이었으며, 제품 상자 전면 왼쪽에는 "Loongson 프로세서를 사용하는 세계 최초의 노트북"이라고 적혀 있습니다. Quanta의 위탁 생산으로 제조된 이 제품은 2007년 Asus Eee PC와 직접 경쟁하기 위해 의도되었으며, 당시 인기 있었던 넷북 (netbook) 폼 팩터를 강력하게 모델로 삼았고, 당시 사용 가능했던 Eee 900 시리즈와 동일한 크기의 1024x600 LCD를 사용했습니다. 오른쪽의 슬로건인 "혁신이 용의 꿈을 실현한다(Innovation makes [the] dragon's dream come true)"는 패키지 여러 곳에 나타납니다. 이 기기는 eBay에서 구매한 것으로, (제가 파악할 수 있는 한) 원래 상자에 담긴 거의 완전한 상태였습니다. 오리지널 Yeeloong은 최소 두 가지 주요 모델과 여러 하위 구성으로 출시되었습니다. 블랙 또는 화이트 색상의 8089 시리즈는 8.9인치 TFT 1024x600 LCD, 4MB VRAM을 갖춘 SiliconMotion SM712 그래픽, Realtek 8139D 10/100 이더넷(Ethernet) 및 8187B 802.11b/g Wi-Fi, 그리고 SD (SDHC) 카드 슬롯, 스피커 및 마이크, 오디오 입/출력 포트, VGA 출력, AMD CS5536 사우스브릿지 (southbridge)를 탑재했습니다. 당시 기준으로 대단한 편의 기능을 갖춘 것은 아니었지만, Fuloong과 마찬가지로 저렴해야 했습니다. 왜냐하면 이 기기의 상업적 후원자들—말할 것도 없이 정치적 후원자들—에게는 이 기기가 일반적인 중국 구매자(그리고 바라건대 국제적인 구매자도)가 접근 가능해야 한다는 점이 더 중요했기 때문입니다.