#35 TIL - CS _ CPU

CPU란 무엇인가?

이번 포스트에서 CPU(Central Processing Unit)에 대해 알아보려 한다.

이미지 출처 - https://www.freecodecamp.org/news/what-is-cpu-meaning-definition-and-what-cpu-stands-for/

CPU 개요

CPU(Central Processing Unit)는 중앙 처리 장치라고도 불리며, 컴퓨터 시스템의 두뇌 역할을 하며, 모든 연산, 제어, 명령 수행을 담당하는 핵심 부품이다.

CPU는 컴퓨터의 전반적인 성능에 큰 영향을 미치며, 사용자가 실행하는 모든 프로그램과 명령어를 처리한다.
CPU는 내부적으로 수많은 트랜지스터로 이루어져 있는데, 이 트랜지스터들이 논리 게이트를 구성해 다양한 연산을 수행한다. 현대의 CPU는 수십억 개의 트랜지스터를 포함하고 있으며, 기술 발전에 따라 그 숫자는 점점 더 증가하고 있다.

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CPU의 역사

CPU의 역사는 1970년대 초반으로 거슬러 올라간다. 최초의 상용 마이크로프로세서는 인텔의 4비트 프로세서 칩 Intel 4004로, 1971년에 출시되었다.

이미지 출처 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Intel_4004.jpg

이후 인텔은 1974년에 8비트 프로세서인 8008을 출시하였고,

이미지 출처 - https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8008

1978년에는 16비트 프로세서인 8086을 선보였다. 8086은 이후 IBM PC에 채택되어 x86 아키텍처의 기초가 되었다.

이미지 출처 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B8%ED%85%94_8086

CPU의 구성 요소

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CPU는 크게 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다:

1. 연산 장치(ALU: Arithmetic Logic Unit): 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 부분이다. 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등의 기본 연산과 논리 게이트를 이용한 비교, AND, OR 연산 등을 처리한다.
   
   
2. 제어 장치(Control Unit): 명령어를 해독하고, CPU 내부 및 다른 컴퓨터 구성 요소들 간의 데이터 흐름을 제어한다. 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 명령어 디코더 등이 포함된다.

프로그램 카운터(Program Counter)

프로그램 카운터(Program Counter, PC)는 현재 실행 중인 명령어의 메모리 주소를 저장하는 레지스터이다.
프로그램 카운터는 CPU가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키며, 명령어 사이클의 첫 단계인 인출(Fetch) 단계에서 사용된다.
명령어가 실행된 후에는 자동으로 다음 명령어의 주소로 증가하거나, 분기 명령어의 경우에는 지정된 주소로 이동한다.

명령어 레지스터(Instruction Register)

명령어 레지스터(Instruction Register, IR)는 메모리에서 인출된 명령어를 일시적으로 저장하는 레지스터이다.
CPU는 프로그램 카운터에 의해 지정된 메모리 주소에서 명령어를 인출하여 명령어 레지스터에 저장한 후, 해당 명령어를 해독하고 실행한다. 명령어 레지스터는 명령어를 실행하는 동안 명령어의 내용을 유지하여, CPU가 올바른 작업을 수행할 수 있도록 한다.

명령어 디코더(Instruction Decoder)

명령어 디코더(Instruction Decoder)는 명령어 레지스터에 저장된 명령어를 해독하는 장치이다. 명령어 디코더는 명령어의 비트 패턴을 분석하여, 해당 명령어가 어떤 작업을 수행해야 하는지를 결정한다.
예를 들어, 산술 연산, 데이터 이동, 분기 등의 작업을 식별하고, 이에 따라 제어 신호를 생성하여 CPU 내부의 다른 구성 요소에 전달한다. 이를 통해 CPU는 명령어를 올바르게 실행할 수 있게 된다.

3. 레지스터(Register): CPU 내부에 있는 소형 고속 메모리로, 연산에 필요한 데이터를 일시적으로 저장한다. 대표적인 레지스터로는 누산기(Accumulator), 플래그 레지스터(Flag Register), 프로그램 카운터(Program Counter) 등이 있다.
   
   

4. 캐시 메모리(Cache Memory): CPU와 메인 메모리 간의 속도 차이를 줄이기 위해 사용되는 고속 메모리이다. L1, L2, L3 캐시로 구분되며, 각각의 크기와 속도는 다르다. CPU 내부에 내장된 L1 캐시가 가장 빠르고, 외부에 위치한 L3 캐시가 가장 크다.
   
   

CPU의 작동 원리

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CPU는 프로그램 카운터에 저장된 주소를 기반으로 메모리에서 명령어를 가져와 해독한 후, 실행하는 과정을 반복한다. 이를 '명령어 사이클(Instruction Cycle)'이라고 한다. 명령어 사이클은 다음과 같은 단계로 구성된다:

1. 인출 단계(Fetch Stage): 프로그램 카운터에 저장된 주소로부터 메모리에서 명령어를 가져온다.

2. 해독 단계(Decode Stage): 인출한 명령어를 해독하여 어떤 작업을 수행할지 결정한다. 제어 장치가 명령어를 분석하고, 필요한 연산을 준비한다.

3. 실행 단계(Execute Stage): 해독된 명령어를 실제로 실행한다. ALU가 연산을 수행하거나, 데이터 이동, 분기 등 다양한 작업을 처리한다.

4. 저장 단계(Store Stage): 실행 결과를 레지스터나 메모리에 저장한다. 이후 프로그램 카운터를 갱신하여 다음 명령어를 인출할 준비를 한다.
   
   

CPU의 성능 측정

CPU 성능은 주로 다음과 같은 요소들에 의해 측정된다:

1. 클록 속도(Clock Speed): CPU의 작동 주기를 나타내며, GHz(Gigahertz) 단위로 측정된다. 클록 속도가 높을수록 CPU는 더 많은 명령어를 빠르게 처리할 수 있다.

2. 코어 수(Core Count): CPU에 내장된 개별 처리 장치의 수를 나타낸다. 다중 코어 CPU는 동시에 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있어 멀티태스킹 성능이 뛰어나다.

3. 스레드 수(Thread Count): 각 코어가 처리할 수 있는 명령어 스트림의 수를 나타낸다. 하이퍼스레딩(Hyper-Threading) 기술을 이용하면, 하나의 코어가 두 개의 스레드를 처리할 수 있다.

4. 캐시 크기(Cache Size): CPU의 캐시 메모리 용량을 의미하며, 캐시가 클수록 자주 사용되는 데이터를 빠르게 접근할 수 있어 성능 향상에 기여한다.

5. 명령어 집합(Instruction Set Architecture, ISA): CPU가 이해하고 실행할 수 있는 명령어의 집합을 의미한다. 대표적인 예로 x86, ARM 아키텍처 등이 있다.

현대 CPU 기술

현대의 CPU는 다양한 기술적 혁신을 통해 성능을 지속적으로 향상시키고 있다. 대표적인 기술로는 다음과 같다:

1. 하이퍼스레딩(Hyper-Threading): 인텔의 기술로, 하나의 물리적 코어가 두 개의 논리적 코어처럼 동작하여 더 많은 스레드를 동시에 처리할 수 있게 한다.

이미지 출처 - https://www.ionos.co.uk/digitalguide/server/know-how/hyperthreading/

2. 터보 부스트(Turbo Boost): CPU의 클록 속도를 자동으로 높여 특정 조건에서 더 높은 성능을 제공하는 기술이다. 필요에 따라 전력을 더 소모하면서도 성능을 향상시킨다.

이미지 출처 - https://www.quora.com/Why-is-my-CPU-clocked-to-4-GHz-when-the-base-speed-is-2-9GHz-and-I-have-never-overclocked-or-turned-on-turbo-for-anything-in-my-knowledge-I-have-an-i5-10400f-with-a-B460m-pro-motherboard

3. SMT(Simultaneous Multithreading): 하이퍼스레딩과 유사한 개념으로, AMD의 라이젠(Ryzen) CPU에 적용된 기술이다. 다수의 스레드를 동시에 처리하여 멀티태스킹 성능을 향상시킨다.

이미지 출처 - https://www.javatpoint.com/smt-full-form

4. 내장 GPU(Integrated GPU): CPU에 내장된 그래픽 처리 장치로, 별도의 외장 GPU 없이도 그래픽 작업을 수행할 수 있다. 인텔의 Iris 그래픽스, AMD의 Radeon Vega 등이 이에 해당한다.

5. 전력 관리 기술: CPU의 전력 소비를 최적화하여 에너지 효율을 높이는 기술이다. 인텔의 SpeedStep, AMD의 Cool'n'Quiet 등이 대표적이다.

결론

CPU는 컴퓨터 시스템의 핵심 부품으로, 모든 연산과 명령어 처리를 담당한다. 다양한 구성 요소와 복잡한 작동 원리를 통해 프로그램을 실행하고, 시스템의 성능을 좌우한다. 현대의 CPU는 수많은 기술적 혁신을 통해 성능을 지속적으로 향상시키고 있으며, 앞으로도 발전을 거듭할 것으로 기대된다.