컴퓨터 구조

정유진·2023년 5월 6일

CPU종류

CPU를 제조하는 2개의 회사인 인텔과 AMD에서는 각각의 제품을 브랜드화하여 분류하고 있으며, 공정이나 출시된 시기에 따라 세대를 추가적으로 분리
각각의 브랜드만 보고도 제품의 대략적인 성능/출시 시기/용도 등을 파악가능

인텔 : 
셀러론 < 펜티엄 < 코어i3 < 코어i5 < 코어i7 < 코어i9 
서버용으로는 제온(xeon), 게이밍/전문가용 하이엔드로는 코어-X로 나뉘어짐
셀러론+펜티엄은 사무용, 코어i3~i7이 게임에도 적합한 가장 일반적인 라인업

AMD : 
슬론 < 라이젠3 < 라이젠5 < 라이젠7 < 라이젠9
서버용으로는 에픽, 게이밍/전문가용 하이엔드로는 스레드리퍼로 나뉘어짐.
애슬론은 사무용, 라이젠3~7이 게임에도 적합한 가장 일반적인 라인업

하이엔드 : 비슷한 기능을 가진 기종 중에서 기능이 가장 우수한 제품

소켓 구분

CPU의 소켓은 CPU를 메인보드에 연결할 때 사용하는 연결 방식
보통은 핀 수에 따라 구분
같은 기술로 만들어진, 즉 코드네임이 같은 CPU들은 같은 소켓 방식을 사용하는것이 일반적
메인보드 및 CPU쿨러 호환의 규격이기 때문에 확인하고 구매하는 것이 중요
(CPU, 메인보드, CPU쿨러는 같은 소켓이어야 함)

CPU 소켓의 구분은 인텔은 숫자로 표기, AMD는 영문+숫자 형태로 표기

<인텔 CPU의 LGA 소켓, 메인보드 소켓(좌)에 핀이 있고
CPU(우)에는 핀이 없이 접점부만 있음>

인텔은 LGA(Land Greed Array - CPU에 핀이 없고 평평해서 Land라고 이름 붙여짐) 소켓을 사용하며 현재 주력으로 판매되고 있는 인텔 7세대, 8세대 제품 모두 소켓 LGA 방식을 사용하고 있음.
다만, 일부 제품의 경우 소켓이 같더라도 칩셋에 따라 호환여부가 나뉠 수 있음.

<AMD CPU의 PGA 소켓, 메인보드 소켓(좌)에는 핀이 들어갈 수 있는 홀이 있고, CPU(우)에는 핀이 있음>

제조공정

CPU 뿐만 아니라 메모리나 그래픽카드 등 모든 반도체에서 사용되는 말

CPU, 메모리, VGA등의 반도체에서 'nm'로 표기되는 단위:
트랜지스터와 트랜지스터를 이어주는 회로의 두께

제조공정이 미세할 수록 같은 공간에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있으므로 고성능+저전력을 기대할 수 있음.

<AMD ZEN CPU 공정 로드맵, 제조공정(nm)이 세밀할 수록 성능이 더 뛰어납니다.>

하나의 반도체 안에는 수 많은 트랜지스터가 들어감.
트랜지스터의 수가 많으면 많을 수록 한 번에 더 많은 계산을 할 수 있음.
그래서 CPU의 성능을 높일 때 칩 크기를 증가시키는 한이 있더라도 트랜지스터를 더 많이 집어 넣어서 동작속도를 올리는 방법도 사용했었음
=> 다만, 이 방법은 그만큼 많은 전력을 소모, 고발열로 이어져 CPU쿨링에 그만큼 많은 비용을 투자하게 만듬..

따라서 한정된 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣기 위해 트랜지스터의 크기를 줄이고, 트랜지스터와 트랜지스터를 이어주는 전선의 길이를 최소화 하는 것이 관건이며, 이는 곧 '공정의 미세화'

이렇게 미세 공정을 줄이게 되면, 전선의 길이가 짧아지게 되므로 소모되는 전력량이 줄어들게 됨.
소모 전력량이 줄어들어 발열량이 줄어들게 되고, 이는 다시 냉각을 위해 필요한 전력 소모 그리고 전력 소모에 따라 증가하는 발열량도 함께 줄어드는 결과로 돌아옴

다만, nm단위가 낮을수록 무조건 저전력 고성능으로 직결되는것은 아니므로 제조 공정만으로 제품 구매를 판단하기보다 다양한 요소를 고려

사양

코어 수

CPU에서 코어(core)는 기본적인 연산 및 계산 작업을 담당
해당 처리속도를 나타내는 단위는 클럭(Clock)

현재는 기존의 싱글코어에서 발전하여 다양한 멀티코어 제품이 등장
코어가 늘어 날수록 1개의 코어가 하던일을 2개(듀얼), 4개(쿼드)의 코어가 나눠서 진행하기에 작업속도가 증가

CPU를 보면 겉 부분에 금속판으로 덮여 있는 부분 안쪽에 코어가 감춰져 있음
이 금속판의 역할: 코어의 열을 분산시켜서 빨리 냉각시켜 주는 역할, 충격에 약한 코어를 외부의 충격으로부터 보호하는 역할

<1개의 다이(die). 오른쪽 사진에서 보이는 가운데 직사각형 부분>

<2개의 다이. 2개로 나뉘어져 있는 것을 볼 수 있음>

다이 : 물리적으로 분리된, 코어가 들어가 있는 직사각형의 판

코어 수에 따른 분류

코어의 수가 많으면 동시에 처리할 수 있는 일이 많아지게 되며, 10개의 코어가 있다면 한 번에 10개의 일을 비슷한 속도로 처리할 수 있기 때문에 전문가용 워크스테이션이나 서버용으로 많이 사용

인코딩 : PC에서 스마트폰 등의 포터블 기기로 동영상을 옮길 때 각각의 스마트폰에 맞는 형태로 바꾸는 것
-> 이 인코딩 작업은 전적으로 CPU의 성능(속도와 코어의 수)에 따라 천차만별이기 때문에 데카코어 CPU는 이 작업을 하는데 있어서 빠른 CPU라고 할 수 있습니다.

쓰레드 수

쓰레드(thread): CPU 내부에서 실질적으로 업무를 수행하는 가장 작은 논리적 단위

2020년 4월 기준으로, 최신 CPU들은 저사양~기본사양 제품들은(인텔i3, AMD젠3) 4쓰레드, 중급사양(인텔i5, AMD젠5) 6쓰레드, 고사양급(인텔i7, AMD젠7) 8쓰레드 이상으로 구성
2021년 11월 출시한 인텔 12세대 엘더레이크의 경우 P코어 E코어 빅리틀 하이브리드 형식으로 출시되면서 쓰레드 또한 16+8쓰레드와 같은 형태로 출시

CPU의 코어는 원칙적으로 한 번에 1개의 쓰레드만 처리할 수 있음
=> 다만, 매우 빠른 속도로 여러 쓰레드를 번갈아가며 처리하고 있으며, 최근에는 단일 코어보다 다중코어가 보편화되었기때문에 동시에 다양한 작업을 처리할 수 있음

인텔의 하이퍼쓰레딩(HyperThreading)과 AMD의 SMT(Simultaneous MultiThreading)기술은 1개의 코어가 동시에 2개의 쓰레드를 처리할 수 있도록 하는 기술을 적용하여 해당 기술이 적용되지 않은 CPU에 비해 작업에 따라 최대 40%까지 향상된 성능을 가짐

인텔 하이퍼쓰레딩 기술

예를 들어, A-B-C-D라는 4가지 공정을 거쳐야 완성되는 물건(쓰레드)이 있다고 가정  
A 공정이 끝나고 B공정으로 넘어가면 A공정은 쉬게 됨 => 비효율적

따라서 B공정으로 넘어가면 다시 A공정에 새로운 작업을 투입하여 병목이 생겨 
놀고있는 부분을 줄이도록 업무 처리 과정을 개선한 기술이 인텔 하이퍼쓰레딩과 AMD SMT

1개의 코어에서 2개의 쓰레드를 처리할 수 있도록 개선하였기 때문에 
해당 기술이 적용된 CPU를 장착한 PC에서 윈도우즈 작업 관리자를 켜면, 
쿼드코어 CPU라도 8개의 코어를 가진 것으로 보이게 됨. 
(즉, 4개의 코어가 8개로 보임)

<옥타(8)코어인 AMD 라이젠 7 1700을 장착한 PC의 작업관리자, 총 16개의 코어가 작동하는 것처럼 보임>

기본 Clock (동작 속도)

CPU의 동작속도

Hz라는 단위 사용 (=클럭 clock)
=> 1초 동안 파장이 한 번 움직이는 시간,
이 시간 동안 데이터를 얼마나 많이 처리하느냐에 따라 CPU의 속도가 달라지게 됨
CPU의 성능을 높이는 가장 좋고 편한 방법 : 동작속도를 올리는 것
=> 하지만 무작정 동작속도만 높일 경우, CPU에서 열이 많이 발생,
일정 클럭까지 올라갔을 경우, 더 이상 올리기 어렵다는 문제
=> 요즘은 코어의 개수, 캐시의 크기, 내부에서 데이터 처리 방식의 차이 등 많은 것들을 종합해야 CPU의 성능을 알 수 있음.
예를 들어, 2.4GHz 단일코어/ 1.9GHz 듀얼코어 => 코어 하나만 비교했을 때 단일코어가 빨라 보이지만 듀얼코어는 2개의 코어가 동시에 명령어를 처리하기 때문에 듀얼코어의 성능이 더 좋음
CPU가 0과 1의 구분을 초당 몇 번 할 수 있는지 나타내는 수치로,
GHz의 경우 10억번을 의미
최근 CPU의 경우 클럭뿐 아니라 IPC(클럭 당 명령어 처리 횟수), SIMD(하나의 명령어에 의해 여러 개의 데이터를 처리하는 기술) 에 의해서도 좌우 됨
이 ipc와 SIMD는 수치로 나타내기 힘들고 CPU의 설계나 수행하는 연산의 종류에 좌우 됨

최대 Clock

인텔 터보 부스트
표시되는 터보부스트 속도는 싱글 코어가 작동중일 때(4코어) 터보부스트로 올라가는 클럭의 최대치
=> CPU에 부하가 걸리는 경우, 순간적으로 클럭을 높이는 기능
=> 올라가는 클럭은 CPU의 한계를 넘지는 않음
=> 여러 개의 코어 중 한 개, 혹은 두 개의 코어만 이용할 때 더욱 많은 클럭을 상승시킴
=> 별도의 오버클럭을 하지 않더라도 자동적으로 필요할 때 순간적으로 더 높은 성능을 끌어내고, 특히 코어를 모두 활성화 시키지 못하는 작업을 할 때도 성능을 올릴 수 있기 때문에 활용도가 높은 기술
AMD 부스트 클럭
AMD의 CPU에 적용되고 있는 터보코어 기능은 오버클럭을 하지 않고도 자동적으로 CPU의 클럭을 일시적으로 올려 사용할 수 있는 기능
=> 시스템이 모든 코어를 사용하지 않고 일부 코어에만 작업이 몰려 있다면 사용하지 않는 코어의 자원을 부하가 걸린 코어로 몰아 클럭을 상승시켜 작업 속도를 향상
=> 사용자가 설정을 하지 않더라도 CPU 스스로 현재의 상태를 파악해 작동하는 기능

L2 캐시 메모리

CPU 내부에서 임시로 사용하는 버퍼(Buffer) 메모리 중 하나
Level 2의 약자로, PC에 장착된 메모리와 CPU 사이에서 동작
CPU가 데이터를 처리하는 동안 다음에 처리할 내용을 메인 메모리로부터 불러와 대기하는 곳이 L2 캐시 메모리
x 배수로 표시된 제품은 여러 개의 코어에 코어당 하나씩 각각 캐시메모리가 들어있다는 의미
보통 코어에 하나씩 들어있으나 AMD의 신형 FX 제품들은 모듈화 구조라고 하여 2개의 코어가 1모듈을 이루며 1모듈당 1개의 L2 캐쉬가 들어있음.