컴퓨터 구조 #3 (실제 컴퓨터의 구성)

Computer

컴퓨터는 프로세서와 메모리로 구성된다.

하드웨어적인 측면에서 프로세서와 메모리의 설계에 대해 알아보자.

C언어가 기계어로 번역되어 명령이 실행되는 과정.

 

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# 프로세서의 구조

프로세서는 시대를 거듭하며 상당히 많이 발전되어왔고 현대의 컴퓨터 프로세서는 CPU를 포함한 여러가지 기능들이  합쳐져있다. 프로세서와 레지스터는 업체마다 구현방식이 다르고 (CISP, RISE) 내부구조를 이해하려면 메모리와 운영체제에 대한 지식이 필요하니, 간단하게 프로세서의 구조만 보고 넘어가도록 하자.

참고로 ALU는 산술연산을 담당하는 유닛으로 논리회로로 쉽게 구성할 수 있다.

 

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# 인터페이스 구조 (프로세서-메모리 연결선)

컴퓨터는 프로세스와 메모리로 이루어진다.
그렇기에 당연히 그 둘 사이를 이어주고 조작하는 인터페이스(연결선)가 필요하다. 기본적으로 프로세스와 메모리 사이에는 3가지의 버스(연결선)이 존재한다. 이런 연결선들을 모아서 '시스템 버스' 라고 부르며, 대충 그림으로 그리면 다음과 같다.

사실 우리가 'BUS' 라고 부르는 건, 선이 하나라고 해서 BUS라고 부르는 것이지 특별한 용어인건 아니다. 그 외 원형인 Ring, 별모양인 Star등이 있지만 비교했을 때 BUS구조가 제일 사용하기 적합하다. 

먼저 프로세스가 특정 공간에 있는 데이터를 꺼내기 위해서 주소를 전달하는 'Address Bus'
그리고 요청한 데이터를 메모리에서 꺼내오고, 프로세스가 다시 기록하는 'Data Bus'
이 작업들을 중간에서 조종하고 설정하기 위한 'Control Bus' 가 있겠다.

예를 들어 메모리 1000번지~1040번지에 있는 프로그램을 읽어서 실행한다면
1. 프로세스에서 'Address Bus'를 이용해 1000번지를 요청한다.
2. 요청한 프로그램안의 명령과 데이터들을 'Data Bus'를 이용하여 전송한다.
(필요하다면 프로세스에서 'Data Bus'를 이용해 데이터들을 수정, 기록한다.)
3. 중간중간 필요한 조작이나 처리는 'Control Bus'를 이용하여 전달한다.

보통 주소(Address) 버스는 [프로세스 -> 메모리] 방향으로만 보내면 되기에 단방향으로 설계한다. 반대로 데이터(Data) 버스와 컨트롤(Control) 버스는 왔다갔다 해야하기에 양방향으로 설계되어진다.

1편에서 배웠듯이, 전기줄 한가닥으로는 1비트(on/off) 를 표현 할 수 있다. 그래서 CPU의 1회 연산 비트단위, 즉 주소 버스의 크기는 최대 메모리크기와 관련이 있다. 예를 들어  주소 한개당 1바이트의 메모리 공간을 사용한다 가정하면 2가닥으로는 4개의 주소(00,01,10,11)를 표현할 수 있고, 사용할 수 있는 최대 메모리크기는 4바이트이다.

 

현대의 컴퓨터는 32비트나 64비트를 1회 연산단위로 많이 사용하는데, 32비트의 경우 32가닥으로 메모리 주소를 나타내면 약  2^32 = 4,294,967,296 개가 나오고 각각의 주소에 1바이트를 붙이면 4GByte정도 된다. 그래서 32비트 CPU, 운영체제에서는 최대 4GB의 메모리만을 사용할 수 있는 것이다.

* 한개의 연결선(버스)로 주소를 2번 나누어 보내면 최대 메모리를 더 늘려서 쓸 수 있지 않나 생각할수도 있다. 하지만 그렇게 한다면 하드웨어에서 주소를 처리하기 상당히 복잡해 질것이고, 성능이 심하게 떨어지기에 말이 안되는 실질적으로 말이 안되는 방법이다.
* 실제로는 조금 더 복잡하고, 그림처럼 I/O(입출력 장치)까지 연결되어있는 데 이는 나중에 차차 알아보도록 하자.

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# 메모리의 구조

현대의 컴퓨터에서 사용하는 메모리는 CPU 내부에서 사용하는 레지스터, 메인 메모리인 DRAM, SRAM과 전원이 나가도 데이터가 유지되는 ROM, 보조메모리로 나누어진다. 이것들이 어떻게 만들어졌고, 발전되어 왔는지 알아보자.

 

@ RAM (휘발성 메모리, Random Access Memory )

* DDR 규격, GPU, GDDR 규격에 대하여 (재미로 읽어보는 글)

• DDR 메모리의 등장
  진공관에서 사용하던 방법을 단순 트렌지스터로 구현한 DRAM 에서 기술이 발전하여 제어장치의 입력을 Refresh하는 클록 신호와 동시에 일어나도록 하는 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)라는 신기술이 나오게 됩니다.
  
  이후 기술이 점점 더 발전하며 클럭 한 사이클당 하나의 신호가 아니라,  대역폭을 늘려 한번에 2개의 신호를 받아 속도를 엄청나게 향상시킨 DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 기술이 나오게 되었고, 이후 컴퓨터 RAM은 DDR 규격을 따르며 [DDR n세대 RAM]이라고 줄여서 부르기 시작했습니다. 
  
  DDR 기술은 세대를 거듭하며 속도와 전력사용량을 발전시켰고 2005년 DDR3, 2014년 DDR4 까지 나오게 되었습니다. 현재(2021)에는 DDR5 규격 출시를 준비하고 있다고 합니다. 여담으로 메모리가 아무리 발전해봐야 CPU의 성능이 그 메모리를 다 사용하지 못한다면 별 의미가 없습니다. 그래서 당시 DDR4 규격이 개발된지 오래되었음에도 불구하고 CPU의 속도가 충분히 빠르지 않은 것이 제품 출시를 늦춘 이유 중 하나라고 합니다.
  
   
• 너무나 느린 GPU, GDDR 메모리의 등장
  컴퓨터의 운영체제가 GUI (그래픽 UI)를 지원하기 시작하며 CPU의 작업량이 너무나 많아지게 되었습니다. 또한 CPU는 병렬처리를 위해 만들어진게 아니라서 프로그램을 순서대로 실행하도록 설계되었으나, 그래픽 작업의 경우 굳이 순서대로 화면을 그릴 필요가 딱히 없습니다. 그래서 CPU를 도와줄 하드웨어 가속기, 즉 그래픽 전용 프로세서를 추가로 만들게 되는데 이것이 바로 GPU의 시초입니다.
  
  과거 SDRAM의 느린 속도는 클래식 펜티엄 시절부터 시스템 속도를 느리게 하는 주범 가운데 하나였습니다. 위에서 설명했지만, 이를 극복하기 위해 쓰기와 읽기를 동시할 할 수 있는 DDR SDRAM(Double Data Rate)이 등장했고 현재까지 널리 사용되고 있습니다. 그런데 메모리 속도가 발목을 잡는 것은 CPU만은 아니었습니다. 
  
  1995년 개인PC와 윈도우의 시대가 열리며 1999년 [GPU] 라는 용어가 엔비디아 지포스 256에서 처음 등장하였습니다. 하지만 기존의 CPU와 함께 같은 메모리를 사용하니 속도가 정말 느렸습니다. GPU는 그래픽 처리라는 특화된 목적을 위한 프로세서이지만, 처리해야 하는 데이터 양이 CPU보다 훨씬 많았으므로 CPU의 기존 메모리보다 비싸고 용량은 작을지언정 더 빠른 메모리를 필요로 했던 것입니다. 
  
  엔비디아와 ATI (이후 AMD로 합병)은 끊임없는 경쟁을 통해서 더 빠른 그래픽 카드를 만들게 되는데, 이는 결국 더 빠른 메모리가 필요함을 의미했습니다. 2000년대 초반 GPU는 이미 CPU보다 훨씬 크고 복잡한 프로세서가 되었는데, 이는 CPU와 다르게 그래픽 연산 자체가 병렬화의 이점을 쉽게 살릴 수 있기 때문이기도 했습니다. 이후 비트코인과 머신러닝이 나오며 대규모 병렬처리가 필요한 다른 곳에서도 많이 사용되고 있습니다.
  

  

  
  
  
• 일반적인 경우 CPU가 듀얼 코어, 쿼드 코어, 옥타 코어가 된다고 해서 체감성능이 2배, 4배, 8배 늘어나지 않습니다. 하지만 GPU의 경우 그림 그리는 사람이 많으면 전체 그림 작업이 빨라지는 것처럼 코어를 늘릴때 마다 병렬처리의 체감 성능은 엄청나게 향상되었습니다. 그런데 그림 그리는 사람이 많아지면 작업 공간도 커지고 쉽게 이용이 가능해야 합니다. 그런 만큼 더 빠른 병렬처리를 위한 독자적인 메모리 규격인 GDDR 규격이 등장하게 되었습니다.
  
  여담으로 그래픽카드(GPU)의 발전에 큰 공여를 한것이 고사양 게임들입니다. 사실 그래픽카드의 수요가 그렇게 까지 많을 이유가 없는데, 고사양 게임들에서 높은 그래픽사양을 끊임없이 요구하다보니 자연스럽게 산업이 거대해지며 그래픽카드 시장이 커졌죠. 물론 지금은 게임이 아닌 다른 곳에서도 많이 사용합니다만, 게임이 아니었다면 이만큼 빨리 발전하지는 못했을 것이라는게 정설로 받아지고 있습니다. 
  
  참고로 GPU도 결국에는 CPU에게 작업을 할당 받아 도와주는 역할이므로, CPU의 처리속도가 너무 느리면 병목현상으로 인해 GPU도 함께 느려지게 됩니다. 글을 적다보니 개발 지식과는 좀 거리가 많이 멀어진 것 같은데, 더 궁금한 내용이 있다면 해당링크를 참조해주세요.

메모리에 적힌 DDR*은 Double Data Rate의 약자로 대역폭의 크기를 의미한다. 대역폭이란 한번에 데이터가 지나갈수 있는 량, 즉 통로의 크기로 이해하면 쉽다.

휘발성 임의접근 메모리, 프로세스가 사용하는 주 메모리를 의미한다. (사람으로 치지면 주로 쓰는 연습장?)
렘은 전자가 갇히는 콘덴서 원리를 이용한 DRAM(Dynamic, 동적) 방식과 전자회로, 플립플롭을 이용한 SRAM(Static, 정적)방식으로 나뉜다. 휘발성이기 때문에 전기공급이 끊기면 메모리에 있는 내용이 사라지게 된다.

*사실 따지자면 Random Access Memory보다는 Read Write Memory가 맞는 표현일것이다. 그런데 처음 발표 당시 RAM이라고 명칭했기에, 그냥 그 이후 메모리들도 같은 용어를 사용한다. 

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@ DRAM (Dynamic RAM)

콘덴서 원리(모른다면 전편을 보도록 하자)를 이용하여 전자를 잠깐 가둬 기록한다. 1비트를 저장하는데 1개의 트렌지스터가 필요하다. 속도는 수백 nsec(나노 초)정도 걸린다. 물론 전자는 시간이 지나면 방전되기에 일정시간(클럭)마다 다시 기록(Refresh) 해주어야 하는 단점이 있다.
* 전자가 '잠깐' 갇히는 원리라 일정시간이 지나면 방전되기에 Dynamic(동적) 메모리라고 부른다.
* 전자가 갇히는 시간은 매우 짧다.(20ms정도) 그러나 현대의 컴퓨터 연산속도는 우리가 생각하는 것보다 매우 빠르다(나노s단위, 초당 1억번) 프로세스의 입장에서는 일 다하고 할 짓없어서 놀 수있는 시간이다.

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@ SRAM(Static RAM)

플립플롭 스위치, 전자회로를 구성하여 전기 신호를 저장하는 방식이다.
DRAM과 다르게 전기만 유지된다면 방전될 일 도 없고, 전기회로 방식이라 훨씬 빠르다. (수백 피코 초)
그러나 1비트를 저장하는데 최소 6개의 회로용 트렌지스터가 필요해서, 제작 과정이 복잡하고 비용이 DRAM보다 매우 비싸다. 그래서 보통 용량이 작고 속도가 빨라야 하는 메모리로 사용하는데, 대표적으로 레지스터와 DRAM 사이에 있는 캐시메모리가 보통 SRAM으로 구성된다.

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@ CPU 레지스터 메모리 (Register)

> 레지스터는 나중에 더 자세하게 설명할 예정이다. 간단하게 읽어만 보고 넘어가자.

CPU가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치이다. CPU에서 직접 사용하는 레지스터 메모리는 성능이 아주 뛰어나고, 크기가 작다. (이는 설계의 어려움이나 가격문제도 있겠지만, 메모리 계층구조가 있으므로 무작정 크게 만든다고 해서 성능이 향상되지 않는다.)

 

레지스터 메모리는 값을 저장하는 용도로도 사용할 수 있지만 CPU에 필요한 산술 연산, 스택 포인터, 상태 값등 여러가지 정보를 다룬다. 그래서 레지스터의 용도를 이해하고자하면 프로세서의 동작원리를 어느정도 알고있어야하며, 레지스터는 CPU의 설계(CISP, RISE)에 따라 구조가 달라질 수 있다. 나중에 운영체제를 다룰 때 더 자세하게 설명하도록 하겠다.

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@ ROM (비휘발성 메모리, Read Only Memory)

Read Only Memory, 읽기전용 메모리
사실, 컴퓨터를 사용하는데에는 RAM으로 충분하다고 생각할 수 있다. 하지만 RAM의 치명적인 단점이 있는데, 바로 '전기가 나간다면 데이터가 저장되지 않는다' 라는 점이다. 물론 초기설정 작업을 공장에서 해놓고 24시간 컴퓨터를 켜놓는 방법도 있긴 하지만.. 그건 말도 안되기에 시작할 때 기본 설정을 하는 용도로 전기가 날아가도 유지되는 메모리가 필요했는데, 그것이 바로 ROM이다. 대부분의 ROM은 공장에서 제조할 때 내용이 기록된 상태로 나온다. 메인보드에 붙어서 같이 나오기에, 아마 따로 구매 해본적은 없을 건데 보통 ROM은 컴퓨터에 운영체제를 실행시키는 바이오스 프로그램이 포함되어 있다.

초기의 ROM은 퓨즈나 납으로 기록해서 수정 불가능했지만, 기술에 발전에 따라 자외선, 전기로 기록하며 여러번 지웠다가 기록할 수 있게 되었다. 그 중 전기적으로 지우는 방식인 EEP-ROM(Electrically Erasable  Programming ROM)에서 발전하여 나온 것이 바로 플래시메모리, 우리가 쓰는 USB 메모리의 시초이다.

 

그렇다면 RAM 말고 전부다 비휘발성인 ROM으로 바꾸면 되는거 아닌가요?

ROM은 비휘발성 메모리, 즉 전기가 끊겨도 데이터가 날라가지않고 그대로 유지되는 장치이다.

이는 RAM보다 좋아보일 수는 있지만, 사용할 때 마다 원래 데이터 위치를 신경써야하며, 계속해서 '저장'해야 되기때문에 속도는 RAM에 비하여 매우 느리다. 그러기에 보통 컴퓨터에서 ROM은 펌웨어로만 쓰인다.

 

* 펌웨어란?

흔히 프로그램은 '운영체제' 가 실행한다고 말한다. 그 운영체제를 하드장치에서 읽어와 실행시키는 프로그램이 ROM에 있다고 생각하면 된다. 이는 수정 할 일이 없는, 하드웨어화 된 소프트웨어라는 뜻으로 펌웨어라고도 부른다. (비슷한 예로 CD-ROM도 있겠다. CD를 읽기만 하는 프로그램이니까)

 

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@ 보조메모리와 메모리계층구조 (CD, HDD, SSD)

ROM과 같이 전기가 끊겨도 날라가지 않고, 주 메모리를 보조하여 많은 데이터들을 저장할 공간이 필요한데 그것이 바로 '보조 메모리' 이다. 우리가 쓰는 HDD(Hard Disk), CD(Compact Disc) 같은 것들.

사실 모든 메모리를 SRAM + ROM 조합으로 구성해도 크게 문제될 건 없다. 메모리 성능은 이 조합이 훨씬 좋다.
하지만 그렇게까지 속도를 높여봐야 프로세스가 사용하지도 않는 남는 공간도 많을 것이고, 애초에 메모리의 가격이 상당히 비싸기에 컴퓨터는 대형 연구시설에서나 한대 쯤 쓸 수 있었을 것이다.

1995년 윈도우와 개인용 컴퓨터(PC)가 보급되며 가성비를 고려한 선택이 필요했기에 메모리 제조사들은 CPU(프로세스)가 자주 쓰는 작은 공간은 매우 빠른 메모리로, 그 외 공간은 속도가 낮지만 가격이 싼 메모리로 구성하여 가격을 낮추고 효율을 높였다. 이런식으로 메모리를 구성하여 자연스럽게 나온것이 '메모리의 계층구조(memory hierarchy)' 이다.

2016년 기준으로 빛으로 기록하는 CD, DVD, Blue-ray는 사용량이 많이 줄었고 모터를 이용해 원판에 전자기적으로 기록하는 HDD(하드디스크)와 EEP-ROM이 발전하여 나온 플래시메모리(USB 메모리)를 많이 사용한다. 그리고 플래시 메모리의 가격이 낮아지며 그 메모리들을 압축하여 때려박은 SSD(Solid State Disk, 고체상태 디스크)정도가 있겠다.

 

시대는 변하고 있다. 10년전만 하더라도 CD, HDD등을 보조메모리로 사용했지만 현대(2021)에는 기술이 좋아져 ROM에서 사용하던 기술을 보조메모리까지 적용시킨 SSD를 주로 사용하고 있다.