중앙 처리 장치(CPU)란 무엇인가요?

CPU는 본질적으로 컴퓨터의 활성 두뇌에 해당합니다. CPU는 데이터 입력을 정보 출력으로 변환하는 컴퓨터 내부의 보이지 않는 관리자입니다. 방대한 회로망을 통해 프로그램 명령을 저장하고 실행합니다.

인간의 뇌와 마찬가지로 CPU는 멀티태스킹이 가능합니다. 즉, CPU는 컴퓨터의 내부 기능 조절, 전력 소모 감독, 컴퓨팅 리소스 할당, 다양한 앱, 프로그램 및 네트워크와의 인터페이스를 동시에 수행하는 부분입니다.

CPU가 컴퓨팅에 얼마나 중요한지 아직 확신이 서지 않는다면 이 점을 고려해 보세요. CPU는 컴퓨터의 크기나 용도에 관계없이 모든 컴퓨터에서 볼 수 있는 부품입니다. 스마트폰이나 노트북 또는 PC에서 이 글을 읽고 있다면 지금 이 순간에도 CPU를 사용하고 있는 것입니다.

'CPU'라는 용어는 단일 장비를 말하는 것처럼 들리지만 실제로는 그렇지 않습니다. CPU는 실제로 고도로 조율된 방식으로 함께 작동하는 다양한 컴퓨터 구성 요소의 집합체입니다.

CPU의 고유한 부분과 상호 작용 방식에 대해 논의하기 전에 먼저 컴퓨팅을 구동하는 두 가지 필수 개념인 데이터 스토리지와 메모리에 대해 알아두는 것이 중요합니다.

• 데이터 스토리지는 나중에 쉽게 액세스하거나 영구적으로 보관할 수 있도록 정보를 보관하는 행위를 말합니다. 컴퓨터는 기본 스토리지와 보조 스토리지로 분류되는 두 가지 유형의 스토리지를 사용합니다. 기본 스토리지(메인 메모리 또는 간단히 "메인"이라고도 함)에는 작동 지침 또는 데이터 검색이 포함되어 있습니다. CPU는 정기적으로 기본 스토리지와 연동하여 이러한 데이터에 액세스합니다.
  
  
• 메모리는 특정 작동 지침 또는 다른 형태의 디지털 정보를 추출하고 활용할 수 있는 컴퓨터 파일의 할당 부분입니다. 메모리는 일반적으로 최근 컴퓨터 사용 중에 가장 자주 액세스한 파일을 위한 단기 저장소의 형태를 취합니다. 데이터가 운영 체제(OS)에 처음 들어가면 해당 OS의 랜덤 액세스 메모리(RAM)에 배치됩니다.

여기서도 CPU는 단기 기억과 장기 기억을 모두 경험한다는 점에서 인간의 뇌와 유사합니다. CPU의 표준 운영 메모리는 사람의 단기 기억과 유사하게 RAM 데이터를 컴퓨터의 캐시 메모리에서 주기적으로 제거하기 전에 그 '순간'에만 저장합니다.

보조 스토리지는 인간의 장기 메모리와 유사하며 하드 드라이브와 같은 보조 저장 장치에 데이터를 보관하여 데이터를 영구 또는 장기간 보존하는 것을 말합니다. 하드 드라이브와 같은 출력 장치는 영구 스토리지를 제공합니다. 영구 스토리지는 읽기 전용 메모리(ROM)를 사용하므로 데이터에 액세스할 수는 있지만 데이터를 조작하거나 변경할 수는 없습니다.

다음은 CPU의 세 가지 주요 구성 요소입니다.

다음과 같은 CPU 구성 요소도 필수적입니다.

• 캐시: 메모리 속도는 CPU가 실행되는 방식에 중요한 요소이지만, 아이러니하게도 CPU는 실제로 RAM에 액세스하지 않습니다. 대신 최신 CPU에는 CPU 프로세서 칩에서 캐시가 유리한 위치에 있기 때문에 RAM이 달성할 수 있는 것보다 빠른 속도로 이러한 작업을 일상적으로 처리하는 하나 이상의 캐시 계층이 있습니다.
  
  
• 레지스터: CPU가 다양한 데이터 처리 명령을 효율적으로 수행하려면 즉각적이고 상시적인 데이터 요구를 신속하게 충족해야 합니다. 이를 위해 CPU는 일종의 영구 메모리 형태인 레지스터를 사용합니다. 레지스터를 CPU 내부에 구축함으로써 필요한 즉시 밀리초 단위로 레지스터 데이터에 액세스할 수 있습니다.
  
  
• 클럭: CPU 내부의 복잡한 회로가 고도로 동기화되어 작동하는 것이 필수적입니다. CPU 클럭은 일정한 간격으로 전기 펄스를 발생시켜 다양한 컴퓨터 구성 요소와 동기화함으로써 이 프로세스를 관리합니다. 이 펄스가 전달되는 속도를 클럭 속도라고 하며, 헤르츠(Hz) 또는 메가헤르츠(MHz) 단위로 측정합니다.
  
  
• 명령어 레지스터 및 포인터: 명령어 세트가 CPU에 의해 수행될 때 명령어 포인터는 CPU에 의해 실행될 다음 명령어의 위치를 보여줍니다. 현재 명령어가 완료되면 다음 정보가 명령어 레지스터에 나타나고 명령어 포인터 내에서 새 명령어가 강조 표시됩니다.
  
  
• 버스: 컴퓨터 버스는 대부분의 컴퓨터에서 컴퓨터 시스템 내부의 컴퓨팅 구성 요소 간의 적절한 데이터 전송과 데이터 흐름을 보장하는 매우 독특한 역할을 합니다. 버스의 너비는 버스가 병렬로 전송하는 비트 수를 나타냅니다. 버스는 컴퓨터가 CPU를 온보드 메모리에 연결하고 다른 용도로 사용할 수 있는 방법을 제공합니다.

CPU 기능은 컴퓨터 클럭에서 제공하는 동기화 지원과 함께 제어 장치에 의해 처리됩니다. CPU 작업은 컴퓨터의 처리 능력이 허용하는 범위 내에서 다음과 같은 기본 컴퓨팅 명령을 특정 횟수만큼 반복해야 하는 CPU 명령 주기라고 하는 설정된 주기에 따라 발생합니다.

• 가져오기: 메모리에서 데이터를 검색할 때마다 가져오기가 발생합니다.
  
  
• 디코딩: CPU 내의 디코더는 바이너리 명령을 CPU의 다른 부분과 연동되는 전기 신호로 변환합니다.
  
  
• 실행: 실행은 컴퓨터가 컴퓨터 프로그램의 명령 집합을 해석하고 실행할 때 발생합니다.

CPU 내부의 클럭은 약간의 조정을 통해 기본 속도보다 빠르게 작동하도록 조작할 수 있습니다. 일부 사용자는 컴퓨터를 더 빠른 속도로 실행하기 위해 이러한 조작을 수행합니다. 하지만 이는 컴퓨터 부품의 조기 마모 및 CPU 제조사 보증 위반으로 이어질 수 있으므로 권장하지 않습니다.

컴퓨터는 이제 현대 생활의 필수 요소로 인식되어 항상 우리와 함께 해온 것처럼 느껴집니다. 하지만 물론 그렇지 않습니다.

모든 기술은 거인의 어깨 위에 서 있다는 말이 있습니다. 예를 들어 컴퓨팅 역사에는 초기 선구자들의 다양한 실험과 저술이 이후 세대 연구자들에게 영향을 주어 컴퓨팅의 잠재력에 대한 더 많은 아이디어를 탐구하게 하는 등 발전을 거듭해 왔습니다.

현대 컴퓨팅의 역사는 전쟁 중에 시작되었습니다. 제2차 세계 대전이 한창일 때, 미국 정부는 펜실베이니아 대학교 무어 전기공학부의 한 연구팀과 계약을 체결했습니다. 이들의 임무는 포병 사격표에 필요한 거리를 정확하게 계산할 수 있는 완전 전자식 컴퓨터를 개발하는 것이었습니다. 물리학자 존 모클리(John Mauchly)와 엔지니어 J. 프레스퍼 에커트 주니어(J. Presper Eckert, Jr.)가 이끄는 이 프로젝트는 1943년 초에 시작되었습니다.

1946년 초에 완성된 이 계산 기계는 ENIAC이라고 불렸으며, 문자 그대로 그리고 비유적으로 엄청난 발전이었습니다.

ENIAC의 개발 비용은 40만 달러(인플레이션을 고려하면 2024년 기준 약 670만 달러)였습니다. 무어 전기공학부 지하에 설치된 ENIAC은 무려 1,500제곱피트의 공간을 차지했습니다. 17,000개 이상의 진공관, 70,000개의 저항기, 10,000개의 커패시터, 6,000개의 스위치, 1,500개의 릴레이를 포함하여 엄청난 양의 부품이 필요했습니다. 그리고 훗날의 발전을 예고하듯, 진공관에서 발생하는 엄청난 열 때문에 ENIAC에는 별도의 냉방 시스템이 필요했습니다.

초기 형태의 CPU를 탑재했음에도 불구하고 ENIAC은 당시로서는 경이로운 기술이었으며, 초당 최대 5,000개의 방정식을 처리할 수 있었습니다. 2차 세계대전 종전 후, ENIAC은 곧바로 미국 측의 냉전에 활용되었습니다. ENIAC의 첫 번째 임무는 원자 폭탄보다 1,000배 강력한 폭발력을 가진 새로운 무기, 수소 폭탄 개발 관련 계산을 수행하는 것이었습니다.

ENIAC은 컴퓨터의 군사적 활용 가능성을 입증했습니다. 곧 에커트(Eckert)와 모클리(Mauchly)는 컴퓨터가 비즈니스에 미치는 긍정적인 영향을 세상에 보여주기 위해 회사를 설립했습니다.

EMCC(Eckert-Mauchly Computer Corporation)의 주력 제품인 UNIVAC 1(보통 'UNIVAC'이라고 함)은 당시 기술 발전을 반영한 다양한 개선 사항을 통해 ENIAC보다 소형화되고 저렴해진 버전이었습니다.

우선, 전자 타자기 키보드, 최대 10개의 UNISERVO 테이프 드라이브(데이터 저장용), 테이프-카드 변환기(자기 테이프 외에 천공 카드 사용 가능) 등의 입출력 장치를 포함하여 데이터 입력을 더 쉽고 효율적으로 만들었습니다.

이전 모델처럼 UNIVAC도 여전히 상당한 공간(382제곱피트)을 차지했지만, ENIAC에 비하면 크기가 많이 줄어든 것이었습니다. 하지만 추가된 기능들로 인해 UNIVAC의 가격은 ENIAC보다 훨씬 비싼 약 150만 달러(현재 가치로 약 1,160만 달러)였습니다.

하지만 그만큼 UNIVAC은 놀라운 성능을 보여주었습니다. 특히, CBS 뉴스는 1952년 미국 대통령 선거 결과를 정확하게 예측하는 데 UNIVAC을 사용했습니다. 기존 갤럽 여론조사에서는 접전을 예측했지만, UNIVAC은 드와이트 D. 아이젠하워(Dwight D. Eisenhower)의 압승을 조기에 예측하여 모든 기자들을 놀라게 했고, 실제로 그대로 결과가 나타났습니다. UNIVAC만이 이 결과를 예측했습니다. 이 사건은 대중을 놀라게 했고, 컴퓨터가 생성할 수 있는 놀라운 분석 및 예측 능력에 대한 인식을 하룻밤 사이에 높였습니다.

외관은 더욱 세련되어졌지만, UNIVAC은 여전히 8톤이 넘는 무게에 125kW의 전력을 소비하는 거대한 기계였습니다. UNIVAC 1은 1951년에 공개되었고, 첫 번째 모델은 미국 인구조사국에서 구매했습니다. 불행히도, UNIVAC의 사용은 심각한 설계상의 결함으로 인해 복잡했습니다. 이 결함은 여전히 깨지기 쉬운 유리 진공관에 의존하는 것으로, 이러한 진공관은 다양한 종류의 파손에 취약하고 상당한 양의 과도한 열을 발생시켰습니다.

다행히, 다음 CPU 혁명은 이 문제를 직접적으로 해결할 것입니다.

ENIAC과 UNIVAC 개발 당시에는 마땅한 대안이 없었기에 개발자들은 진공관의 문제점으로 어려움을 겪었습니다. 1953년 맨체스터 대학교 (University of Manchester)의 한 연구생이 완전한 트랜지스터 기반 컴퓨터를 만드는 방법을 찾아내면서 모든 것이 바뀌었습니다. 리처드 그림스데일(Richard Grimsdale)이 개발한 48비트 기계는 92개의 트랜지스터와 550개의 다이오드를 사용했으며, 진공관은 전혀 사용하지 않았습니다.

트랜지스터는 1950년대 초부터 대량 생산되었지만, 초기에는 정제가 어렵고 특정 온도 범위를 유지해야 하는 게르마늄을 소재로 사용했기 때문에 활용이 까다로웠습니다.

1954년 초, 벨 연구소(Bell Laboratories)의 과학자들은 실리콘을 실험하기 시작했고, 이는 결국 컴퓨터 칩 생산에 사용되는 주요 소재가 되었습니다. 하지만 벨 연구소의 모하메드 아탈라(Mohamed Atalia)와 다원 칸(Dawon Kahng)이 실리콘 활용 기술을 더욱 발전시켜 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET 또는 MOS 트랜지스터)를 개발하기 전까지는 큰 변화가 없었습니다.

두 엔지니어는 1959년 말에 작동하는 프로토타입을 제작했고, 1960년 초에 이를 세상에 공개하며 새로운 10년을 시작하는 트랜지스터 시대를 열었습니다. 1960년대 말에는 트랜지스터가 널리 사용되었습니다.

실제로 MOSFET은 수십 년 동안 전 세계적으로 널리 사용되어 컴퓨터 역사 박물관에서 '역사상 가장 많이 생산된 장치'로 불릴 정도였습니다. 2018년 추산에 따르면 130해 개의 MOS 트랜지스터가 생산되었습니다.

CPU 설계에 있어 트랜지스터는 컴퓨팅을 크고 복잡한 초기 형태에서 벗어나게 해 공간을 적게 차지하고 더 효율적으로 작동하는 세련된 컴퓨터 개발을 가능하게 한 혁신적인 기술이었습니다.

UNIVAC은 여러 단점과 거대한 크기에도 불구하고 당시에는 혁신적인 제품이었습니다. 그 후 더 작은 마더보드가 개발되고 다양한 컴퓨터 칩이 사용되는 단계가 도래했습니다. 이는 곧 다양한 기능을 통합한 단일 칩인 칩셋의 개발로 이어졌습니다. 그리고 현재, 현대 CPU는 고도로 소형화되어 CPU 전체가 마이크로프로세서라는 작은 집적 회로 칩 안에 들어가 있습니다.

마이크로프로세서는 지원하는 코어 수에 따라 지정됩니다. CPU 코어는 CPU 내의 물리적 처리 장치 역할을 하는 '뇌 속의 뇌'입니다. 마이크로프로세서에는 여러 개의 프로세서가 포함될 수 있습니다. 한편, 물리적 코어는 칩에 내장된 CPU이지만 하나의 소켓만 차지하므로 다른 물리적 코어가 동일한 컴퓨팅 환경을 활용할 수 있습니다.

'마이크로프로세서'라는 용어를 '마이크로컨트롤러'와 혼동해서는 안 됩니다. 마이크로 컨트롤러는 단일 집적 회로에 존재하는 매우 작은 컴퓨터입니다. 마이크로컨트롤러는 일반적으로 관련 메모리 및 프로그래밍 가능한 I/O 데이터와 함께 하나 이상의 CPU를 포함합니다.

다음은 마이크로프로세서와 관련하여 사용되는 몇 가지 다른 주요 용어입니다.

• 단일 코어 프로세서: 단일 코어 프로세서에는 단일 처리 장치가 포함되어 있습니다. 일반적으로 성능이 느리고 단일 스레드에서 실행되며 CPU 명령 주기를 한 번에 하나씩 수행합니다.
  
  
• 듀얼 코어 프로세서: 듀얼 코어 프로세서에는 하나의 집적 회로 안에 두 개의 처리 장치가 장착되어 있습니다. 두 코어가 동시에 실행되므로 성능 속도가 효과적으로 두 배로 향상됩니다.
  
  
• 쿼드 코어 프로세서: 쿼드 코어 프로세서는 단일 집적 회로 내에 4개의 처리 장치가 포함되어 있습니다. 모든 코어가 동시에 실행되어 성능 속도가 4배로 빨라집니다.
  
  
• 멀티 코어 프로세서: 멀티 코어 프로세서는 두 개 이상의 프로세서 코어가 장착된 집적 회로로, 더 적은 에너지를 사용하면서 최고의 성능을 제공할 수 있습니다.

스레드는 CPU에 발행되는 명령의 가상 시퀀스로 생각할 수 있습니다. 주로 워크로드를 나누고 서로 다른 프로세서 간에 이러한 책임을 공유하는 방법입니다.

관련 용어로는 멀티스레딩과 하이퍼스레딩이 있습니다. 전자의 경우 작업은 별개의 스레드로 분할되어 병렬로 실행됩니다. 하이퍼스레딩은 프로세서가 동시에 두 개의 스레드를 수행하는 데 사용되기 때문에 훨씬 더 큰 성능 이점을 얻을 수 있습니다.

그래픽 처리 장치(GPU)는 컴퓨터 그래픽과 처리된 이미지의 가속 및 향상을 위해 만들어졌습니다. GPU는 마더보드는 물론 PC 및 게임 콘솔에서도 사용할 수 있는 특수 전자 회로입니다.

CPU 기술은 잘 정립되어 있기 때문에 정체되어 있을 것이라고 생각하는 경우가 있습니다. 하지만 최고의 CPU(또는 마이크로프로세서)를 제공하기 위해 끊임없이 새로운 제품이 만들어지고 있기 때문에 혁신이 계속되고 있다는 증거는 꽤 많습니다. 다음 기업들은 이러한 노력을 반복적으로 보여주고 있습니다.

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD는 2017년 설립 이래 Ryzen 마이크로프로세서를 제조해 왔습니다. 주목할 만한 AMD Ryzen 제품(예: Ryzen 7, Ryzen 9)은 고속 게임 액션을 안정적으로 제공하여 비디오 게이머들에게 높은 평가를 받았으며, Ryzen 5 1600 프로세서는 소프트웨어 개발 종사자들에게 좋은 점수를 받았습니다.
  
  
• Qualcomm: 순수한 제조 측면에서 보면, 현재 CPU 분야에서 활동하는 수많은 공급업체 중 Qualcomm은 선두를 달리고 있습니다. 2024년 5월 기준, 컴퓨터 클릭률 샘플에 따르면 Qualcomm의 클릭 점유율은 37.4%로 그 다음 순위의 경쟁사의 점유율보다 두 배 이상 높았습니다.
  
  
• Arm: 속도가 핵심 경쟁력인 시장입니다. Arm은 직접 마이크로프로세서를 제조하지는 않지만, 칩 기술 라이선스 및 사용권을 제공하여 타사가 Arm 설계 마이크로프로세서의 뛰어난 처리 속도를 활용할 수 있도록 합니다.
  
  
• Intel: Intel은 1975년 칩 생산을 시작한 이래 수십 년 동안 컴퓨터 칩 생산의 선두주자였습니다. Intel Core i5(2009년 출시)와 같은 프로세서는 비디오 편집 프로그램이나 소프트웨어 개발 프로그램과 같이 더 많은 처리 능력이 필요한 프로그램과 완벽한 호환성을 보여주었습니다.