RAM의 특징과 종류

💡 실행하는 프로그램은 모두 RAM에 저장되어 있다!

RAM의 하드웨어적 특성과 종류에 대해 알아보자

RAM의 특징

RAM에는 실행할 프로그램의 명령어와 데이터가 저장된다.
전원을 끄면 RAM에 저장된 명령어와 데이터가 모두 날아갑니다.

휘발성 저장 장치 : 전원을 끄면 저장된 내용이 사라지는 저장장치
비휘발성 저장 장치 : 전원이 꺼져도 저장된 내용이 유지되는 저장장치

하드디스크, SSD, CD-ROM, USB 메모리와 같은 보조기억장치가 여기에 속한다.
보조기억장치는 전원을 꺼도 내용이 유지되지만, CPU는 보조기억장치에 접근할 수 없어요.
➡️ 보조기억장치(비휘발성 저장 장치)에 “보관한 대상”을 저장하고,
➡️ RAM(휘발성 저장 장치)에 “실행할 대상”을 저장합니다.

RAM의 용량과 성능

🧐 RAM 용량은 컴퓨터 성능에 어떤 영향을 미칠까?

CPU가 실행하려는 프로그램이 보조기억장치에 있으면, RAM으로 가져와야 한다.

그런데, RAM 용량이 적으면 보조기억장치에서 실행할 프로그램을 가져오는 일이 잦아 실행 시간이 길어진다.

예를 들어, RAM 용량이 A, B, C 중 하나의 프로그램만 저장할 수 있을 만큼 작다면
CPU는 다른 프로그램을 실행하려고 할 때마다 RAM으로 가지고 와야 합니다.

하지만, RAM 용량이 충분히 크다면 보조기억장치에서 많은 데이터를 가져와 미리 RAM에 저장할 수 있습니다. 여러번 가져오지 않아도 됩니다.

➡️ RAM 용량이 크면 많은 프로그램을 동시에 빠르게 실행할 수 있습니다.
RAM 용량이 필요 이상으로 커지면 더이상 속도가 증가하지 않습니다.

RAM의 종류

DRAM (Dynamic RAM)

: 저장된 데이터가 동적으로 변하는(사라지는) RAM으로 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라집니다.

➡️ 데이터 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화(다시 저장)해야 합니다.

일반적으로 사용하는 RAM은 DRAM입니다.
소비전력이 비교적 낮고, 저렴하고, 집적도가 높기 때문에 대용량을 설계하기가 용이합니다.

🤩 집적도가 높다 = 다 작고 빽빽하게 만들 수 있다.

SRAM (Static RAM)

: 저장된 데이터가 변하지 않는 RAM으로 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않습니다.

➡️ 주기적으로 데이터를 재활성화할 필요가 없습니다.

DRAM보다 일반적으로 속도가 빠릅니다.

🤩 시간이 지나도 데이터가 사라지지 않는다고 해서 SRAM이 비휘발성 메모리인 것은 아니다! 전원이 공급되지 않으면 저장된 데이터가 날아간다

소비전력이 크고, 가격이 비싸고, 집적도가 낮습니다.
대용량으로 만들어질 필요는 없지만 속도가 빨라야 하는 저장 장치에서 사용합니다.
(=캐시메모리)

SDRAM (Synchronous Dynamic RAM)

: 클럭 신호와 동기화된, 발전된 형태의 DRAM으로 클럭 타이밍에 맞춰서 CPU와 정보를 주고받을 수 있습니다.

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

: 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM으로 한 클럭당 두 번씩 CPU와 데이터를 주고 받을 수 있습니다.

최근 가장 흔히 사용되는 RAM입니다.
SDRAM에 비교해 DDR SDRAM은 너비가 두배인 도로와 같습니다.

🤩 SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM)
: 한 클럭당 하나씩 데이터를 주고 받을 수 있는 SDRAM
DDR2 SDRAM
: DDR SDRAM보다 대역폭이 두 배 넓은 SDRAM
DDR4 SDRAM을 최근에 가장 많이 사용합니다.

메모리의 주소 공간

💡 주소에는 물리 주소와 논리 주소가 있어요

물리 주소와 논리 주소

주소에는 메모리가 사용하는 물리 주소, CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 논리 주소가 있다.

물리 주소 : 정보가 실제로 저장된 하드웨어 상의 주소
논리 주소 : 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0번지부터 시작되는 주소

현재 메모리에 메모장, 게임, 인터넷 브라우저 프로그램이 적재되어 있다고 가정해 봅시다.

새로운 프로그램이 언제든 메모리에 적재될 수 있고, 언제든 프로그램이 메모리에서 사라질 수 있기 때문에 물리적인 주소를 알 필요가 없다.

그리고, 각각의 프로그램에는 자신만을 위한 논리 주소를 가지고 있다. CPU는 이 주소를 받아들인다.

그런데! CPU가 메모리와 상호작용하려면 논리 주소와 물리 주소 간의 변환이 필요해요.
➡️ CPU와 주소 버스 사이에 위치한 메모리 관리 장치(MMU - Memory Managemet Unit)라는 하드웨어에 의해 수행된다.

MMU는 CPU가 요청한 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 물리 주소로 변환합니다.

베이스 레지스터 : 프로그램의 가장 작은 물리 주소. 프로그램의 첫 물리 주소
논리 주소 : 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리

메모리 보호 기법

🤔 위와 같은 명령어가 실행되어도 안전할까?
❌ 프로그램의 논리 주소 영역을 벗어났기 때문에 실행되어서는 안됩니다 ❌

이 명령이 실행 되면 인터넷 브라우저 프로그램에 숫자 100을 저장하게 됩니다.

다른 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어는 위험하기 때문에 논리 주소 범위를 벗어나는 명령어 실행을 방지하고, 실행 중인 프로그램이 다른 프로그램에 영향을 받지 않도록 보호해야 합니다.
➡️ 한계 레지스터가 담당합니다.

한계 레지스터 : 논리 주소의 최대 크기를 저장한다.

CPU가 접근하려는 논리 주소는 한계 레지스터 값보다 커서는 안됩니다.

따라서 CPU는 메모리에 접근하기 전에 논리 주소가 한계 레지스터 값보다 작은지를 항상 검사한다.

논리 주소가 한계 레지스터 값보다 크면 인터럽트(트랩)을 발생시켜 실행을 중단한다.

캐시 메모리

💡 CPU는 프로그램을 실행하면서 메모리에 저장된 데이터를 빈번하게 사용합니다.

하지만 CPU가 메모리에 접근하는 시간은 CPU의 연산 속도보다 느립니다.

이를 극복하기 위한 저장 장치가 캐시 메모리 입니다.

저장 장치 계층 구조

사용자들은 빠르면서 용량이 큰 저장 장치를 원합니다. 하지만 둘 다 만족하기는 어렵습니다.

• CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느립니다.
• 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비쌉니다.

컴퓨터가 사용하는 저장 장치들은 ‘CPU에 얼마나 가까운가’를 기준으로 계층으로 나타낼 수 있다.

➡️ 저장 장치 계층 구조

캐시 메모리

: CPU와 메모리 사이에 위치하고, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치

캐시 메모리는 CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위해 탄생했다.

CPU가 매번 메모리에 접근 하면 오래 걸리기 때문에 사용할 일부 데이터를 미리 캐시 메모리에 가지고 와서 활용하는 것입니다.

컴퓨터 내부에는 여러 개의 캐시 메모리가 있다. CPU와 가까운 순서대로 계층을 구성한다.

코어에 가장 가까운 캐시를 L1 캐시라고 한다.
➡️ L1, L2 캐시는 코어 내부에. L3 캐시는 코어 외부에 위치한다.

용량은 L1, L2, L3 순으로 커지고, 가격은 L3, L2, L1 순으로 비쌉니다.

멀티 코어 프로세서에서는 L1 캐시와 L2 캐시는 코어마다 할당되고, L3 캐시는 여러 코어가 공유하는 형태로 사용합니다.

💡 분리형 캐시
L1 캐시에서 접근 속도를 빠르게 만들기 위해 명령어만 저장하는 L1I 캐시와 데이터만 저장하는 L1D캐시로 분리합니다.

참조 지역성 원리

캐시 메모리는 메모리보다 용량이 작습니다. 따라서 메모리에 있는 모든 내용을 저장할 수 없습니다.

그렇다면 캐시 메모리에 무엇을 저장해야 할까요?
➡️ CPU가 사용할 법한 대상을 예측하여 저장합니다.

캐시 히트 (cache hit)

: 자주 사용될 것으로 예측한 데이터가 실제로 들어맞아 캐시 메모리 내 데이터가 CPU에 활용될 경우

캐시 미스 (cache miss)

: 자주 사용될 것으로 예측해 캐시 메모리에 저장했지만 예측이 틀려서 메모리에서 데이터를 가져와야 하는 경우

캐시 적중률 (cache hit ratio)

: 캐시가 히트되는 비율

캐시 히트 횟수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)

➡️ 캐시 적중률이 높으면 CPU의 메모리 접근 횟수를 줄일 수 있다.

🧐 CPU가 사용할 법한 데이터를 어떻게 알 수 있지?

캐시 메모리는 참조 지역성의 원리에 따라 가져올 데이터를 결정합니다.

이는 CPU가 메모리에 접근할 떄의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리이다.

• CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
  ➡️ 시간 지역성(temporal locality)

• CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 있다.
  ➡️ 공간 지역성(spatial locality)