Memory

일반적으로 메모리라고 하면 기억이라는 개념이다. 컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자 즉 반도체를 의미하는데, 반도체는 특성상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만드는 것이다.

메모리 분류별 특성

기억장소라는 개념에서 확장하면 저장 장소라는 개념의 하드디스크, CD/DVD, USB 저장장치와 같은 보조 기억장치까지를 의미한다. 이런 보조 기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워지게 된다. 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다. 또한 저장/읽기 속도 면에서 메모리와 보조 기억장치는 현저하게 차이가 난다.

CPU 와 가장 가까이 있는 레지스터 메모리, 캐시 메모리, 주기억 장치, 보조기억 장치는 각각 그 특성에 차이가 있다.

메모리 성능

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간을 말한다. 이를 액세스라 부르며 단위는 ns(nano-second) – 10억분의 1초로써 메모리 속도의 기준이 된다. 메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 성능이 좋다고 말할수 있다.

• 리프레시 시간
  메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다. 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.
• 메모리 액세스 시간
  메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다. 그러면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 시간이다.
• 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
  사이클 시간은 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미한다. 즉 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 것이다.

메모리 종류

메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.

주기억장치

RAM(Random Access Memory)

• 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다. (RAM의 크기가 작으면 게임이 잘 돌아가지 않는 경우를 생각해보라.) 또한 CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다.
• RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데, SRAM은 리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비싸며, DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편이다.

ROM(Read Only Memory)

• 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존이 된다.

보조기억장치

• 자기 디스크
  - 원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현한다. 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다.
  - 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재한다.

• 광 디스크
  - 광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체이다.
  - 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다. 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재한다.

• 플래시 메모리
  - 전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다.
  - 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 가지고 있다.

  캐시 메모리(Cache Memory)

  캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다.

여기서 ‘Cache’라는 의미는 보관이나 저장의 의미를 가지고 있다. 캐시 메모리는 이러한 역할을 하는 물리적 장치를 말한다. CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있는데, CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라서는 CPU 밖에 존재할 수도 있다.

특히 빠른 CPU 의 처리속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할을 해준다. 쉽게 표현하면 CPU 는 빠르게 일을 진행하고 있는데, 메인 메모리가 데이터를 가져오고 가져가는 게 느려서 캐시 메모리가 중간에 미리 CPU 에 전달될 데이터를 들고 서 있는 형태라고 생각하면 된다.

캐시 메모리의 성능 결정 요소

캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송하게 된다. 이때 이 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데. 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 때문이다.

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 ‘Cache Hit’라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우를 ‘Cache Miss’라 한다. 이러한 원하는 데이터가 있을 수도 있고 없을 수도 있는데, 이때 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 ‘Hit Ratio’라 한다.

표와 같이 캐시 메모리의 성능 결정 요소에는 캐시의 크기 뿐 아니라 다양한 요소들이 관여하고 있다.