컴퓨터 구조 Chapter 05

김연준·2025년 8월 17일

컴퓨터 구조 독학하기

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클럭은 컴퓨터 부품들이 일사불란하게 움직일 수 있도록 해주는 시간 단위입니다. 마치 지휘자의 박수처럼, CPU는 이 클럭 신호에 맞춰 명령어를 처리합니다.

클럭 속도 (Clock Speed): 1초에 발생하는 클럭의 횟수로, 헤르츠(Hz) 단위로 나타냅니다. 일반적으로 클럭 속도가 빠를수록 CPU의 성능이 높아집니다.
클럭 속도의 한계: 클럭 속도를 무작정 높이면 발열이 심해져 CPU 성능에 오히려 악영향을 줄 수 있습니다. 이 때문에 클럭 속도를 높이는 데에는 한계가 있습니다.

클럭 속도의 한계를 극복하기 위해 등장한 방식 중 하나가 코어 수를 늘리는 것입니다.

코어 (Core): 실제로 명령어를 실행하는 CPU의 핵심 부품입니다.
멀티코어 CPU: 여러 개의 코어를 한 칩에 집적한 CPU를 말합니다. 여러 개의 일꾼이 동시에 작업하는 것처럼, 여러 코어가 동시에 명령어를 처리하여 전체 성능을 향상시킵니다.
- 예시: 2.4GHz 클럭의 단일 코어 CPU보다 1.9GHz 클럭의 멀티코어 CPU가 일반적으로 더 높은 성능을 보입니다.
주의사항: 코어 수가 많다고 해서 무조건 성능이 비례하여 증가하는 것은 아닙니다. 작업을 효율적으로 분배하는 기술이 중요하며, 작업량에 비해 코어 수가 지나치게 많으면 효율이 떨어질 수 있습니다.

스레드는 CPU에서 명령어를 처리하는 단위로, 하드웨어 스레드와 소프트웨어 스레드로 구분해 이해하는 것이 좋습니다.

정의: 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어의 단위를 의미합니다.
멀티스레드 프로세서: 하나의 코어가 2개 이상의 명령어를 동시에 처리할 수 있는 기술입니다. 인텔의 하이퍼스레딩(Hyper-Threading) 기술이 대표적입니다.
- 원리: 코어 내에 여러 개의 레지스터를 두어 마치 여러 개의 코어가 있는 것처럼 동작하게 합니다. 그래서 하드웨어 스레드를 논리 프로세서라고 부르기도 합니다.

정의: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 작업의 단위입니다.
- 예시: 워드 프로그램에서 '입력 내용 보여주기', '맞춤법 검사', '자동 저장' 등의 기능을 각각의 스레드로 만들어 동시에 실행할 수 있습니다.

정리:

CPU의 성능을 높이기 위해서는 클럭, 코어, 스레드 외에도 CPU가 쉬지 않고 일하게 만드는 명령어 병렬 처리 기술이 중요합니다.

명령어 처리 과정을 여러 단계(인출, 해석, 실행, 결과 저장 등)로 나누고, 각 단계를 겹쳐서 동시에 처리하는 기법입니다.
마치 공장의 생산 라인처럼 여러 명령어를 연속적으로 처리하여 효율을 극대화합니다.

위험 요소:
- 데이터 위험: 명령어 간 데이터 의존성 때문에 발생하는 문제. (예: 앞선 명령어의 결과가 다음 명령어에 필요할 때)
- 제어 위험: 프로그램 분기(조건에 따라 실행 순서가 바뀌는 것)로 인해 미리 가져온 명령어들이 쓸모없게 되는 문제. 분기 예측 기술로 해결합니다.
- 구조적 위험: 여러 명령어가 동시에 같은 CPU 부품(ALU, 레지스터 등)을 사용하려고 할 때 발생하는 문제.

대부분의 현대 CPU가 채택하고 있는 구조로, 여러 개의 파이프라인을 동시에 사용하는 기법입니다. 여러 명령어를 한꺼번에 처리할 수 있어 처리 속도가 이론적으로 파이프라인 개수에 비례하여 빨라집니다.

데이터 의존성이 없는 명령어들을 순서와 관계없이 먼저 실행하여, 파이프라인이 멈추는 것을 방지하고 전체적인 성능을 높이는 기법입니다.

ISA는 CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음으로, CPU의 언어와 같습니다. 대표적으로 CISC와 RISC가 있습니다.