컴퓨터 구조 #2 (컴퓨터의 탄생, 폰노이만 구조)

Computer

컴퓨터는 프로세스 (Process, 연산장치)와 메모리(Memory, 저장장치)로 구성된 장치이다.

현대에서 사용하는 대부분의 컴퓨터는 아래와 같은 폰노이만 구조를 뼈대로 사용하고 있다.

CPU, Centeral Processing Unit (핵심 프로세싱 장치, 중앙 처리 장치)

 

# 컴퓨터의 시초

컴퓨터의 시초는 계산기에서 출발한다. 입력을 위한 스위치를 따로 두고 연산이 필요할때마다 데이터를 입력하는 간단한 방식이었다. (계산기는 어떻게 만들었나요?)

컴퓨터 구조 #1 (컴퓨터의 시작, 전자장치)

사실 그 당시에는 이 수준을 넘어서는 계산기가 딱히 필요하지는 않았다. 그러나 이를 바꾼 것이 전쟁이다. 세계 최초의 계산장치로 알려진 애니악(ENIAC)은 1946년, 미국 펜실베니아 대학에서 만들어졌는데 미군에서 복잡한 탄도 계산을 기계로 하기 위해 설계되었다고 한다. 참고로 이 당시에 진공관으로 한땀한땀 만들고 스위치를 달다보니, 애니악 한대의 무게가 30톤에 육박했다고 한다.

애니악의 회로(좌측)와 스위치(우측)

그러다 1930년, 계산기를 만드는 획기적인 방법이 제시되는데 그것이 바로 '폰노이만 구조' 이다.

폰노이만이 누군데

폰 노이만은 컴퓨터 분야 외에도 수학, 경제학, 물리학 등 다양한 분야에 큰 영향을 끼친 인물입니다. 과학자들이 인정한 ‘천재 중의 천재’로도 유명합니다. 우리가 흔히 천재로 알고 있는 아인슈타인, 오펜하이머, 괴델과 함께 프린스턴 고등 연구소의 ‘반신(半神)’이라는 별명을 얻었을 정도면 얼마나 뛰어난 과학자였는지 체감할 수 있을 것입니다.

 

세계 2차대전 때는 미국과 영국, 캐나다에서 비밀리에 진행한 핵무기 개발 프로젝트인 맨해튼 프로젝트에 참여했는데요, 원자폭탄의 핵심 기술인 고폭발성 렌즈를 개발한 이후 인공 생명을 최초로 연구하여 자기 복제의 원리를 수학적으로 증명했습니다. 폰 노이만은 인간의 두뇌 구조에 아이디어를 얻어 폰노이만 구조를 발표하고, 병목 현상을 해결하기 위해 두뇌와 같은 컴퓨터를 만들고자하였으나 수소폭탄 실험에서의 방사능 과다노출로 인해 53세에 세상을 일찍 떠나게 됩니다.

 

폰노이만과 비슷한 시도는 현재도 비슷하게 있습니다. 인간 두뇌의 뉴런 구조를 따라해서 만든 인공지능, 딥러닝도 그 중 하나입니다. IBM에서 2050년 장기 프로젝트 True North는 인간의 뇌에 있는 1000억개의 뉴런과 시냅스를 컴퓨터 장치로 구현하는 뉴로모틱 프로세서(Neuromorphic)를 연구하고 있습니다.

 

* 참고로 튜링머신으로 유명한 영국의 앨런 튜링이 만든 암호해독기는 애니악보다 3년 더 먼저 나왔으나, 비밀임무용으로 몰래 개발되었으므로 최초의 컴퓨터로 기록되지는 못했다고 합니다.

 

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# 폰노이만 아키텍쳐

John Von Neumann(1903~1957)과 그가 만든 폰노이만 아키텍쳐

폰노이만의 구조의 핵심은 CPU와 메모리를 분리하여 명령어를 따로 저장하는 '프로그램 내장 방식'에 있습니다. 기존에 하나의 기기를 스위치로 조작하던 방식에서 CPU와 메모리를 분리하고, '연산 작업'을 [프로그램] 메모리에 순서대로 저장합니다. 그리고 해당 연산 작업이 필요해질 때 저장해놓은 [프로그램]을 찾아 데이터 영역으로 꺼내온 뒤 입력값과 함께 CPU에 전달하여 연산작업을 진행합니다. 그리고 CPU에서 데이터 연산을 마친 뒤 다시 메모리에 저장합니다.

 

어? 어디서 많이 들어본 개념같죠? 네 맞습니다. 현대의 컴퓨터는 아직까지도 폰 노이만의 구조를 따르고 있습니다.

폰노이만 구조는 하드웨어를 재배치할 필요 없이 프로그램인 소프트웨어만 교체하면 되므로, 소프트웨어 프로그래밍이 가능한 세계 최초의 프로그램 내장방식 컴퓨터인 에드삭(EDSAC)를 탄생시켰다. 현재 일반적으로 사용되는 있는 컴퓨터들은 모두 폰 노이만 방식을 따르고 있다.

SB(사우스 브릿지)는 입출력 장치(USB, 외장포트)를 관리, 제어하는 곳이다. 밑의 여분의 슬롯은 그래픽이나 하드디스크를 연결하는 곳이다.

 

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# 폰노이만 아키텍쳐의 단점, 병목현상

하지만 폰노이만 구조도 만능은 아니었습니다. 바로 CPU와 메모리 사이의 병목현상(Bottle-neck)이 문제였죠.

프로그램이라는 개념을 사용해서 명령들을 메모리에 저장하고, 꺼내쓰는건 좋았지만 문제는 CPU와 메모리 사이에서 명령들을 전송하는 속도가 느린것과 더불어 메모리 안에서 원하는 프로그램을 찾는 작업도 엄청 느렸습니다. 즉, 실제 연산도중에 CPU가 아무일도 하지 않고 노는 병목현상이 쉽게 발생하는 문제가 있었습니다.

 

1940년에 했던 이 고민은, 현대까지 계속해서 연구하고 개발하며 결국 대규모 병렬처리, 멀티 코어 프로세서 개념까지 도달하게 됩니다.

 

* 참고로 그 당시에는 메모리 2개를 따로 사용하는 하버드 구조 같은 재밌는 방식도 나오기도 하였습니다.

하버드에서 제안한 하버드 아키텍쳐는 [프로그램 메모리]와 [입력 데이터 메모리]를 나눠 병목현상을 나누고자 했지만, 정작 실제로 하버드구조가 사용되는 일은 없었습니다. 병목현상은 완화 될 수 있으나 CPU에서 필요한 명령어와 데이터를 동시에 가져오기 어렵고, 2개의 메모리를 동기화하는 작업이 너무 복잡하고 성능을 안좋게 만들었기 때문입니다.

 

현대의 CPU는 외부적으로는 폰 노이만 구조를 따르고 있습니다. 하지만 병목현상을 해결하기 위해 내부적으로는 하버드 구조처럼 동작하도록 만들기도 하고, 프로세서 제작 업체들이 가진 기술들과 메모리 계층구조등 다양한 방법으로 개선하려고 연구, 개발하고 있습니다. CPU 제작 기술을 파고들면 정말 끝도 없이 개념이 어려워지니, 이 정도만 알고 넘어가도록 합시다.