[컴퓨터 구성 요소] CPU

 

1. CPU(중앙 처리 장치)란?

- CPU는 컴퓨터의 두뇌로서 데이터를 처리하고 계산하는 연산 능력과 명령을 해석하고 실행시키는 제어 능력을 가진 컴퓨터의 핵심 구성 요소이다.
- 다양한 입력 장치로부터 정보를 입력받아 처리한 후, 그 결과를 출력 장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정하는 일을 수행한다.

 

 

2. CPU의 역할 

① 명령어 처리
- CPU는 컴퓨터 프로그램이 실행될 때 메모리에 저장된 명령어들을 하나씩 가져와서 해석하고 실행한다.
- 이 과정은 주로 패치(Fetch), 디코드(Decode), 실행(Execute)의 3단계로 이루어진다.

② 연산 수행
 - 산술 연산(덧셈, 뺄셈 등)과 논리 연산(AND, OR, NOT 등)을 수행하는 산술 논리 장치(ALU)를 통해 다양한 데이터 처리를 한다.

③ 데이터 이동
- CPU는 필요한 데이터를 메모리에서 가져와서 연산하고, 그 결과를 다시 메모리에 저장하는 역할을 한다. 

④ 프로그램 제어
- 프로그램의 흐름을 제어하며, 프로그램 내에서의 조건문, 반복문 등을 통해 논리적인 흐름을 결정한다.

 

 

3. CPU 명령 처리 과정

① 패치(Fetch) - 가져오기
- CPU가 메모리에서 실행할 명령어를 가져오는 단계이다.

② 디코드(Decode) - 해석하기
- 가져온 명령어를 CPU가 이해할 수 있는 신호로 해석하는 단계이다.

③ 실행(Execute) - 수행하기
- 해석된 명령어를 실제로 수행한다. 

ⓘ Note

명령어를 가져온다?
사용자가 프로그램을 실행하면, 이 프로그램의 명령어들이 메모리에 로드되고, CPU는 이 명령어들을 하나씩 읽어와서 실행시키는 것이다.

 

 

4. CPU의 주요 구성 요소

출처 : coduking.tistory.com

출처 : hongong.hanbit.co.kr

 

- CPU 주요 구성 요소에는 캐시 메모리, 산술논리연산장치(ALU), 레지스터(Register), 제어장치(CU;Control Unit)이 있다.

① 캐시 메모리
- 캐시는 CPU가 자주 사용하는 데이터나 명령어를 저장해두는 내부 메모리이다.
- 캐시는 주 메모리(RAM)보다 빠르지만, 저장용량이 작으므로 자주 사용되는 데이터나 명령어만 저장된다.

② 산술논리연산장치(ALU;Arithmetic Logic Unit)
- CPU 내부에서 산술 연산과 논리 연산을 처리하는 부분이다.
- 쉽게 말해, 계산만을 위해 존재하는 계산기이다. 

③ 레지스터(Register)
- CPU 내부에 저장되어 있는 작은 임시 저장 장치로, 데이터를 저장하거나 처리하는 데 사용된다.
- 프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장한다.
- 레지스터는 CPU에서 가장 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있으므로, CPU의 속도와 성능에 큰 영향을 미친다. 

④ 제어 장치(CU;Control Unit)
- CPU에서 제어 신호라는 전기 신호를 내보내고 프로그램의 명령어를 해석하고, 실행하는 장치이다. 
- 제어 장치는 명령어 레지스터에서 현재 실행 중인 명령어를 가져와서 해당 명령어를 해석하고 이에 맞게 다른 구성 요소들을 제어한다.

⑤ Bus
- CPU와 다른 시스템 구성 요소들(메모리, 입출력 장치 등) 간의 데이터나 명령어를 전송하는 경로이다.
- CPU와 다른 구성 요소들 간의 데이터 전송을 원활하게 하기 위해 여러 종류의 버스가 사용된다.

ⓘ Note

제어 신호(Control Signal)
컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다. 
CPU가 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 읽기라는 제어 신호를 보낸다.
CPU가 메모리에 어떤 값을 저장하고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 쓰기라는 제어 신호를 보낸다.

CPU를 구성하는 세 가지 부품(레지스터, 제어장치, ALU)의 역할
메모리에서 프로그램의 명령어를 CPU로 가져온 후 CPU 내부 임시 저장소인 레지스터에 저장한다. 
그 후 제어 장치가 명령어를 해석하고 ALU에서 계산하고 결과값을 레지스터에 저장한다. 
제어장치는 계산한 결과값을 메모리에 저장한다.

CPU 요약
CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치이다.
CPU 내부에서는 계산 담당 ALU, 임시 저장 장치 레지스터, 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치 제어 장치가 있다.

 

* 그림 & 내용 출처 : CPU 구성 요소 , 컴퓨터의 4가지 핵심 부품

 

 

5. CPU의 성능 측정 기준

- CPU의 성능 측정 기준에는 클럭 속도(GHz), 코어 수와 스레드 수, 캐시 메모리(L1, L2, L3), IPC(Instruction per cycle)이 있다.

① 클럭(Clock)
- CPU가 작업을 수행하는 속도를 나타내는 중요한 성능 지표 중 하나이다.
- 클럭 속도는 GHz(기가헤르츠) 단위로 표시되며, 1GHz는 CPU가 1초에 10억 번의 사이클을 실행할 수 있다.
- 예를 들어, 3.5GHz 클럭 속도의 CPU는 1초에 35억 번의 클럭 사이클을 실행할 수 있다.
- 같은 아키텍처(구조)를 가진 CPU라면, 클럭 속도가 높을수록 더 많은 명령어를 처리할 수 있어 성능이 더 좋다.
- 그러나 클럭 속도만으로 CPU의 전체 성능을 판단하기에는 어렵다.
- 코어 수, 캐시 크기, 아키텍처의 효율성 등도 중요하게 작용하기 때문에 예를 들어, 클럭 속도가 낮고 더 많은 코어를 가진 CPU가 높은 클럭 속도의 단일 코어 CPU 보다 더 나은 성능을 발휘할 수 있다. 

ⓘ Note

클럭과 고속도로 비유
- 고속도로 위 자동차 = 데이터
- 고속도로의 제한 속도 = 클럭 속도
- 차선 수 = 코어 수
1차선 고속도로에서는 순서대로 자동차 한 대씩만 지나갈 수 있지만, 2차선 고속도로에서는 동시에 2대의 자동차가 지나갈 수도 있다.

* 내용 출처 : https://minsu092274.tistory.com/31

 

② 코어 수(Cores)
- CPU 내에서 독립적으로 작업을 처리할 수 있는 단위이다. 
- CPU에게 요구되는 계산을 담당하는 연산 처리 장치이다.
- 코어 수가 많을수록 CPU는 여러 작업을 동시에 병렬 처리할 수 있어 멀티태스킹 성능이 향상된다. 

③ 스레드 수(Threads)
- CPU 내부에서 실질적으로 업무를 수행하는 가장 작은 단위이다.
- 일반적으로 하나의 코어는 두 개의 스레드를 처리할 수 있으며, 이를 하이퍼스레딩이라고 한다.
- 하이퍼스레딩은 물리적으로 CPU를 갖는 것이 아니라, 물리적 CPU를 쪼개서 가장 vCPU를 만들어내는 기법이다.
- 스레드 수가 많을 수록 코어는 더 많은 작업을 동시에 처리할 수 있다.
- 예를 들어, 4코어 8스레드 CPU는 8개의 작업을 동시에 처리할 수 있다.

6코어 6스레드

④ 캐시 메모리
- CPU가 자주 사용하는 데이터를 임시로 저장해두는 초고속 메모리이다.
- 캐시에서 데이터를 빠르게 가져와서 처리 시간을 줄인다.
- 캐시 메모리의 크기가 클수록 CPU는 자주 사용하는 데이터를 빠르게 처리할 수 있어 성능이 향상된다.
- 속도 : L1 > L2 > L3
- 용량 : L3 > L2 > L1

⑤ IPC(Instruction  per cycle)
- CPU가 한 번의 클럭 사이클에서 처리할 수 있는 명령어 수를 나타낸다.
- IPC가 높을 수록 같은 클럭 속도에서 더 많은 작업을 수행할 수 있다.

ⓘ Note

클럭 사이클(Clock Cycle)
CPU가 한 번의 클럭 신호에서 수행할 수 있는 작업의 최소 단위이다.
예를 들어, 명령어를 가져오고(fetch), 해석하고(decode), 실행하는(execute) 과정 중 일부가 한 번의 클럭 사이클에 이루어질 수 있다.

 

 

6. CPU 아키텍처

CPU 아키텍처는 CPU가 명령어를 처리하는 방식과 구조를 정의한다.

① x86 아키텍처
- x86은 인텔과 AMD에서 주로 사용하는 CISC 기반의 CPU 아키텍처이다.
- 데스크탑, 노트북, 서버 등 고성능을 요구하는 기기에서 널리 사용된다.
- 복잡한 명령어 집합과 강력한 성능을 제공하며, 다양한 소프트웨어와 호환성이 뛰어나다.
- 고성능 작업에 적합하지만 전력 소비가 높을 수 있다.
- 주로 PC, 서버, 워크스테이션 등에서 사용된다.

② ARM 아키텍처
- RISC 기반의 CPU 아키텍처로 저전력 소비와 높은 효율성이 특징이다.
- 배터리 수명이 중요한 모바일 기기에서 특히 유리하다.
- 주로 스마트폰, 태블릿, 스마트워치, 일부 노트북 및 서버에서 사용된다.

ⓘ Note

CISC
복잡한 명령어 집합을 갖춘 CPU 아키텍처이다.

RISC
단순한 명령어 집합을 갖춘 CPU 아키텍처이다.

 

7. 주요 CPU 제조사 제품 비교

① Intel
- CPU 시장에서 오랫동안 독점적인 지위를 차지해 온 회사로, 1970년대부터 CPU를 제조해왔다.
- 장점 : 안정적인 성능, 폭넓은 호환성, 강력한 싱글코어 성능 제공
- 단점 : 일반적으로 AMD 제품에 비해 가격이 비쌈

ⓘ Note

대표 제품
- Intel Core 시리즈 :
데스크탑 및 노트북 CPU 시리즈가 있으며, i3, i5, i7, i9으로 나뉘고 각 등급에 따라 성능과 가격이 다르다. 
- Intel Xeon :
서버 및 워크스테이션 용 CPU로, 높은 신뢰성과 멀티스레드 성능이 요구되는 환경에 적합하다.

② AMD
- Intel의 경쟁자로, 2000년대 이후 Ryzen 시리즈를 통해 큰 인기를 얻고 있다.
- 장점 : 멀티코어 및 멀티스레드 성능이 뛰어나며 가성비가 좋다. 특히 Ryzen 시리즈는 게임과 멀티태스킹에서 뛰어난 성능을 제공한다.
- 단점 : 싱글코어 성능은 Intel에 비해 다소 약할 수 있으며, 일부 소프트웨어에서 최적화가 덜 된 경우가 있다.

 

 

8. 참고 자료

CPU란? 구조와 역할, 구성요소, 성능향상 방법

CPU란? 구조와 역할, 구성요소, 성능향상 방법

컴퓨터의 4자기 핵심 부품

[컴퓨터 구조] CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치를 알아보자