중앙 처리 장치(CPU)의 역사

중앙 처리 장치(CPU)는 컴퓨터의 두뇌입니다. 컴퓨터를 실행하는 기능 외에도 작업 할당 및 처리를 담당합니다.

컴퓨팅에서 CPU의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 거의 모든 컴퓨터 시스템에는 최소한 어떤 유형의 기본 CPU가 포함되어 있습니다. 개인용 컴퓨터(PC), 노트북, 태블릿, 스마트폰, 심지어 초당 부동소수점 연산으로 측정해야 할 정도로 강력한 출력을 자랑하는 슈퍼컴퓨터에 이르기까지, CPU는 컴퓨터에서 절대 포기할 수 없는 장비 중 하나입니다. 어떤 기술 발전이 있더라도 한 가지 진실은 변하지 않습니다. CPU를 제거하면 더 이상 컴퓨터를 사용할 수 없습니다.

CPU는 컴퓨터 활동을 관리하는 것 외에도 데이터 스토리지와 메모리 사이에 존재하는 푸시 앤 풀 관계를 활성화하고 안정화하는 데 도움이 됩니다. CPU는 운영 체제의 랜덤 액세스 메모리(RAM)에서 데이터에 액세스해야 할 때 기본 스토리지(또는 메인 메모리)와 상호 작용하는 중개자 역할을 합니다. 반면에 읽기 전용 메모리(ROM)는 영구적이고 일반적으로 장기 데이터 저장을 위해 구축됩니다.

CPU 구성 요소

전자 컴퓨터의 최신 CPU에는 일반적으로 다음과 같은 구성 요소가 포함되어 있습니다.

제어 장치: 전기 펄스 시스템을 발행하여 컴퓨터 시스템을 이끌고 시스템이 높은 수준의 컴퓨터 명령을 수행하도록 지시하는 집약적인 회로가 포함되어 있습니다.
산술/논리 장치(ALU): 특정 컴퓨터 동작과 관련된 수학 방정식 및 논리 기반 비교를 포함한 모든 산술 및 논리 연산을 실행합니다.
메모리 장치: 메모리 사용량과 RAM과 CPU 간의 데이터 흐름을 관리합니다. 또한 캐시 메모리 처리를 감독합니다.
캐시: RAM이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 빠른 데이터 검색 속도에 도달하기 위해 CPU의 프로세서 칩에 내장된 메모리 영역을 포함합니다.
레지스터: 정기적으로 즉시 처리해야 하는 지속적이고 반복적인 데이터 요구 사항을 위해 내장된 영구 메모리를 제공합니다.
클럭: 전기 펄스를 전송하여 CPU 회로를 관리합니다. 이러한 펄스의 전달 속도를 클럭 속도라고 하며, 헤르츠(Hz) 또는 메가헤르츠(MHz) 단위로 측정됩니다.
명령어 레지스터 및 포인터: CPU에서 실행할 다음 명령어 집합의 위치를 표시합니다.
버스: 컴퓨터 시스템 구성 요소 간의 적절한 데이터 전송과 데이터 흐름을 보장합니다.

CPU는 어떻게 작동하나요?

CPU는 동기화 지원을 제공하는 컴퓨터 시계와 관련하여 제어 장치에서 관리하는 일종의 반복된 명령 주기를 사용하여 작동합니다.

CPU가 수행하는 작업은 정해진 주기(CPU 명령 주기라고 함)에 따라 이루어집니다. CPU 명령 주기는 특정 반복 횟수를 지정하며, 이는 해당 컴퓨터의 처리 능력이 허용하는 범위 내에서 기본 컴퓨팅 명령이 반복되는 횟수입니다.

기본 컴퓨팅 명령에는 다음이 포함됩니다.

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.

몇 가지 기본적인 조작으로 CPU 내의 컴퓨터 시계를 조작하여 시간이 정상 경과하는 것보다 더 빠르게 유지되도록 할 수 있습니다. 일부 사용자는 컴퓨터를 더 빠른 속도로 실행하기 위해 이 작업을 수행합니다. 그러나 이러한 관행('오버클러킹')은 컴퓨터 부품을 정상보다 빨리 마모시킬 수 있고 CPU 제조업체의 보증을 위반할 수도 있으므로 바람직하지 않습니다.

처리 스타일도 조정될 수 있습니다. 이를 조작하는 한 가지 방법은 명령 파이프라인을 구현하는 것입니다. 이는 단일 프로세서에서 명령 수준의 병렬 처리를 구현하는 것을 의미합니다. 파이프라이닝의 목표는 들어오는 컴퓨터 명령을 분할하여 프로세서 장치에 고르게 분산시킴으로써 프로세서의 각 부분이 계속 작동하도록 하는 것입니다. 지침은 더 작은 지침 또는 단계 집합으로 나뉩니다.

단일 프로세서 내에서 명령 수준 병렬 처리를 달성하는 또 다른 방법은 슈퍼스칼라 프로세서라는 CPU를 사용하는 것입니다. 스칼라 프로세서는 클럭 사이클당 최대 하나의 명령만 실행할 수 있지만, 슈퍼스칼라 프로세서는 명령을 전송할 수 있는 횟수에는 제한이 없습니다. 이는 프로세서의 다양한 실행 장치에 여러 명령을 전송하여 처리량을 높입니다.

누가 CPU를 발명했을까요?

획기적인 기술에는 두 개 이상의 상위 요소가 있는 경우가 많습니다. 복잡하고 세상을 뒤흔드는 기술일수록, 보통 그 탄생을 책임지는 개인의 수는 늘어납니다.

역사상 가장 중요한 발명품 중 하나인 CPU의 경우, 우리는 컴퓨터 자체를 발견한 사람에 대해 이야기해 보아야 합니다.

인류학자들은 서로 멀리 떨어져 있고 비교적 고립된 국가에 있는 서로 다른 개인이 유사한 실험이 진행되고 있다는 사실을 모른 채 비슷하거나 보완적인 아이디어 또는 발명품을 생각해 내는 상황을 '독립적인 발명'이라는 용어로 설명합니다.

CPU(또는 컴퓨터)의 경우 독립적인 발명이 반복적으로 발생하여 CPU 역사 동안 다양한 진화적 변화를 가져왔습니다.

컴퓨팅의 쌍둥이 거인

이 글이 컴퓨팅의 초기 선구자들을 모두 기릴 수는 없지만, 그 삶과 업적을 조명해야 할 두 사람이 있습니다. 둘 다 컴퓨팅과 CPU와 직접적인 연관이 있었습니다.

Grace Hopper: "COBOL 할머니"에게 경의를 표하다

미국인 Grace Brewster Hopper(1906~1992)는 미 해군에 입대할 당시 몸무게가 약 47.6kg에 불과했는데, 이는 규정 최소 체중보다 6.8kg나 적은 수치였습니다. 그럼에도 불구하고 체중 규정을 면제하여 Grace의 입대를 허용한 것은 미 해군 역사상 가장 현명한 결정 중 하나였습니다.

Grace Hopper는 작은 체구를 뛰어넘는 에너지와 다재다능함을 발휘했습니다. Hopper는 최고의 박식가였습니다. 예일 대학교에서 수학과 수리물리학 박사 학위를 취득한 재능 있는 수학자이자 바사 대학의 유명한 수학 교수였고, 컴퓨터 언어를 작성하고 최초의 컴퓨터 매뉴얼을 저술한 선구적인 컴퓨터 과학자였으며, 해군 사령관(당시 여성은 군에서 행정 이상의 직책을 맡는 경우가 드물었습니다)이기도 했습니다.

제2차 세계대전 이후 UNIVAC 슈퍼컴퓨터 개발과 같은 당대의 선도적인 컴퓨터 프로젝트에 참여한 덕분에 Hopper는 항상 활동의 핵심이었으며 항상 적시에 적절한 장소에 있었습니다. Hopper는 현대 컴퓨팅 역사의 많은 부분을 직접 목격했습니다. Hopper는 최초로 '컴퓨터 버그'라는 용어를 사용하여 컴퓨터 장비 부품에 걸린 실제 나방을 묘사했습니다. (이 나방은 워싱턴 DC에 있는 스미소니언 협회의 국립미국사박물관에 전시되어 있습니다.)

UNIVAC 프로젝트에 참여하면서(또한 나중에 Remington Rand Corporation을 위해 UNIVAC 프로젝트를 운영하면서) Hopper는 사용할 수 있는 더 간단한 프로그래밍 언어가 없다는 사실에 좌절감을 느꼈습니다. 그래서 Hopper는 자신만의 프로그래밍 언어를 작성하기 시작했고, 이 언어는 그 유명한 COBOL(COmmon Business-O riented Language의 약자)로 알려졌습니다.

실리콘 밸리의 시장, Robert Noyce

Robert Noyce는 진정한 비즈니스 거물, 즉 나타나기만 해도 놀라운 일이 시작되게 만들 수 있는 사람이었습니다.

미국의 Robert Noyce(1927~1990)는 천재적인 소년 발명가였습니다. 이후 Noyce는 학부 시절 자신의 지적 호기심을 대학 연구에 쏟아부었는데, 특히 Bell Laboratories에서 제작한 원본 트랜지스터 두 개를 보게 된 후 더욱 이에 몰두했습니다. Noyce는 26세 때 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 물리학 박사 학위를 받았습니다.

1959년에 Noyce는 Jack Kilby가 1958년에 발명한 최초의 하이브리드 집적 회로의 원래 설계를 크게 수정했습니다. Noyce의 개선은 실리콘을 사용하여 형성된 모놀리식 집적 회로(마이크로칩이라고도 함)라는 새로운 종류의 집적 회로로 이어졌습니다. 얼마 지나지 않아 실리콘 칩은 산업을 변화시키고 사회를 재구성하는 획기적인 혁신으로 떠올랐습니다.

Noyce는 자신의 비즈니스 커리어에 걸쳐 Fairchild Semiconductor Corporation(1957)과 Intel(1968)이라는 매우 성공적인 회사 두 곳을 공동 설립했습니다 그는 지금도 세계적으로 유명한 프로세싱 칩 제조 기업인 Intel의 초대 CEO였습니다.

Gordon Moore는 두 회사 모두에서 Noyce의 파트너였습니다. Moore는 반도체 산업에 대한 예측으로 유명해졌는데, 그 예측은 마치 알고리즘처럼 보일 정도로 신뢰성이 높은 것으로 나타났습니다. 'Moore의 법칙'이라고 불리는 이 법칙은 집적 회로 내에서 사용되는 트랜지스터의 수가 약 2년마다 안정적으로 두 배로 증가한다고 가정했습니다.

Noyce가 Intel을 이끄는 동안 회사는 1970년대의 마이크로프로세서 혁명을 일으킨 칩으로 알려진 Intel 4004를 생산했습니다. Intel의 Ted Hoff, Stanley Mazor, Federico Faggin 3인이 협력하여 탄생시킨 Intel 4004는 최초의 시판 마이크로프로세서가 되었습니다.

Noyce의 임기 후반에는 1974년 4월에 처음 선보인 Intel의 두 번째 8비트 마이크로프로세서인 Intel 8080도 생산되었습니다. 그로부터 몇 년 후에 Intel은 16비트 마이크로프로세서인 Intel 8086을 출시했습니다.

Robert Noyce는 화려한 경력을 쌓는 동안 다양한 발명품에 대해 12개의 특허를 획득했으며, 집적 회로에 대한 그의 연구와 집적 회로가 전 세계에 미친 엄청난 영향력을 인정받아 세 명의 미국 대통령으로부터 칭송받았습니다.

ENIAC: 전쟁을 향한 행진

지나치게 극적인 것처럼 보이지만, 1943년에는 세계의 운명이 정말로 위기에 처해 있었습니다. 제2차 세계대전(1939-1945년)의 결과는 여전히 매우 불확실한 상태였으며, 연합군과 추축국군 모두 적에 대한 영향력을 확보하기 위해 모든 종류의 기술적 이점을 열심히 정찰하고 있었습니다.

컴퓨터 장치는 맨해튼 프로젝트와 같은 기념비적인 프로젝트가 만들어졌을 때 아직 초기 단계에 있었습니다. 미국 정부는 펜실베니아 대학 Moore School of Electrical Engineering의 엔지니어들을 고용했습니다. 이들에게 부여된 임무는 포병사격장 표의 야드 수를 계산할 수 있는 전자 컴퓨터를 구축하는 것이었습니다.

군의 요청에 따라 John Mauchly와 J. Presper Eckert, Jr.가 주도한 이 프로젝트는 1943년 초에 시작되어 3년 후에야 끝이 났습니다.

'Electronic Numerical Integrator and Computer'의 약자인 ENIAC이라고 불리는 이 프로젝트에서 제작한 것은 1,500제곱미터의 공간을 차지하는 거대한 기계로, 17,000개의 유리 진공관, 70,000개의 저항기, 10,000개의 커패시터, 6,000개의 스위치 및 1,500개의 릴레이를 포함했습니다. 2024년 통화 기준으로 이 프로젝트에는 670만 달러가 소요되었습니다.

이 기계는 초당 최대 5,000개의 방정식을 처리할 수 있었는데(방정식에 따라 다름), 이는 당시 관점에서 볼 때 놀라운 양입니다. ENIAC은 크기가 얼마나 큰지 사람들이 CPU 안에 서서 기능 유닛 간 배선을 재연결하여 기계를 프로그래밍할 수 있었습니다.

ENIAC는 제2차 세계대전의 나머지 기간 동안 미 육군에서 사용되었습니다. 이후 전쟁이 끝나자 냉전 시대가 시작되었고, ENIAC는 새로운 임무를 부여받았습니다. 이번에는 제2차 세계대전을 종식시킨 핵무기의 폭발력의 1,000배가 넘는 폭탄, 즉 수소 폭탄을 만드는 데 도움이 되는 계산을 수행해야 했습니다.

UNIVAC: 비즈니스로 복귀

제2차 세계대전 종전 후, ENIAC 프로젝트의 두 리더는 공장을 설립하고 미국 비즈니스에 컴퓨팅을 도입하기로 했습니다. 새롭게 명명된 Eckert-Mauchly Computer Corporation(EMCC)은 주력 제품인 ENIAC의 더 작고 저렴한 버전을 준비하기 시작했습니다. 이 버전에는 테이프 드라이브, 키보드 및 펀치 카드 사용이 가능한 컨버터 장치와 같은 다양한 개선 사항이 추가되었습니다.

1951년 대중에게 공개된 UNIVAC은 ENIAC보다는 날렵했지만 여전히 엄청나게 컸으며, 무게는 8톤이 넘고 에너지 소비량은 125kW에 달했습니다. 게다가 여전히 매우 비싸서, 오늘날 가치로 환산한 가격이 무려 1,160만 달러 가량이었습니다.

CPU의 경우 프로젝트의 나머지 부분과 동시에 개발된 최초의 CPU인 UNIVAC 1103이 탑재되어 있었습니다. UNIVAC 1103은 유리 진공관을 사용했기 때문에 CPU가 크고 다루기 어려우며 속도가 느렸습니다.

UNIVAC 1의 원래 배치는 11대의 기계 실행으로 제한되었습니다. 이는 가장 규모가 크고 자금이 풍부하며 우수한 연결성을 보유한 회사 또는 정부 기관만 UNIVAC를 이용할 수 있음을 의미했습니다. 이러한 조직 중 거의 절반은 미 공군과 중앙정보국(CIA)과 같은 미국 방위 기관이었습니다. UNIVAC 1103의 첫 모델을 구매한 기관은 미국 인구조사국이었습니다.

CBS 뉴스는 이 기계를 한 대 보유하고 있었으며, 이를 활용하여 극히 낮은 확률에도 불구하고 1952년 미국 대선의 결과를 정확하게 예측한 것으로 유명합니다. 이는 미국 대중에게 컴퓨터의 놀라운 능력을 알린 대담한 선전 행위였습니다.

트랜지스터: 소형화로 엄청난 발전을 이루다

컴퓨팅이 점점 더 실현되고 찬사를 받으면서 컴퓨팅의 주요 약점이 분명해졌습니다. CPU는 진공관 사용과 관련하여 지속적인 문제가 있었습니다. 실제로는 기계적 문제였습니다. 유리 진공관은 매우 섬세하고 일상적으로 파손되기 쉬웠습니다.

이 문제가 너무 컸던 나머지, 제조업체는 튜브가 작동하지 않아서 컴퓨터가 멈추는 바람에 크게 동요한 고객들을 위한 해결 방법을 제공하고자 많은 노력을 기울였습니다.

튜브 제조업체는 공장에서 정기적으로 튜브를 테스트하여 각기 다른 수준으로 사용하고 함부로 다루었으며, 해당 배치에서 '가장 강인한' 튜브를 선택하여 비축하고 긴급한 고객 요청에 따라 제공할 수 있도록 했습니다.

CPU의 진공관과 관련된 또 다른 문제는 계산 기계 자체의 크기와 관련된 것이었습니다. 튜브는 부피가 매우 컸기 때문에 설계자들은 훨씬 더 작은 장치에 튜브의 처리 능력을 탑재할 수 있는 방법을 간구했습니다.

1953년에는 맨체스터 대학의 한 연구생이 완전한 트랜지스터 기반 컴퓨터를 만들 수 있다는 것을 보여주었습니다(ibm.com 외부 링크).

기존 트랜지스터는 정제하기 까다롭고 정확한 온도 범위에서 보관해야 하는 게르마늄으로 제작되었기 때문에 다루기가 어려웠습니다.

Bell Laboratory의 과학자들은 1954년에 실리콘을 포함한 다른 물질을 실험하기 시작했습니다. Bell Laboratory의 과학자들(Mohamed Italia와 Dawn Kahng)은 실리콘 사용을 계속해서 개선했으며, 1960년에는 컴퓨터 역사박물관에서 '역사상 가장 널리 제조된 장치'(ibm.com 외부 링크)로 기념한 현대식 트랜지스터인 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET 또는 MOS 트랜지스터)의 공식을 개발했습니다. 2018년까지 130해 개의 MOS 트랜지스터가 제조된 것으로 추정되었습니다.

마이크로프로세서의 출현

소형화를 향한 탐구는 컴퓨터 과학자들이 마이크로프로세서라고 하는 작은 집적 회로 칩에 담을 수 있을 정도로 작은 CPU를 만들 때까지 계속되었습니다.

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.

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.
멀티코어 프로세서: 멀티코어 프로세서는 프로세서 코어가 2개 이상 장착된 집적 회로로, 최고의 성능과 최적화된 전력 소비를 제공할 수 있습니다.

선도적인 CPU 제조업체

현재 여러 회사에서 다양한 브랜드 라인을 통해 CPU를 지원하는 제품을 만들고 있습니다. 그러나 이 틈새 시장은 이전에는 많은 주류 제조업체(예: Motorola)를 포함하여 수많은 플레이어를 끌어들였다는 점을 고려하면 현재 꽤 많이 변화했습니다. 이제 주요 플레이어는 Intel과 AMD뿐입니다.

이 두 프로세서는 서로 다른 명령어 세트 아키텍처(ISA)를 사용합니다. 즉, AMD 프로세서는 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍처를 따르는 반면, Intel 프로세서는 CISC(Complex Instruction Set Computer) 아키텍처를 따릅니다.

Advanced Micro Devices(AMD): AMD는 CPU와 APU(accelerated processing units, 즉 가속 처리 장치의 약자)의 두 가지 제품 유형의 프로세서와 마이크로프로세서를 판매합니다. 이 경우 APU는 독점 Radeon 그래픽이 장착된 CPU입니다. AMD의 Ryzen 프로세서는 비디오 게임 시장을 겨냥한 고속, 고성능 마이크로프로세서입니다. Athlon 프로세서는 이전에는 AMD의 고급 라인으로 간주되었지만, 현재 AMD는 이 프로세서를 범용 대안으로 사용합니다.
Arm: Arm은 실제로 장비를 제조하지는 않지만, 자사의 가치 높은 프로세서 설계 및/또는 기타 독점 기술을 장비를 제조하는 다른 회사에 임대합니다. 예를 들어 Apple은 더 이상 Mac CPU에 Intel 칩을 사용하지 않으며, Arm 설계를 기반으로 자체적인 맞춤형 프로세서를 제작합니다. 또한 다른 회사들도 이러한 방식을 따라가고 있습니다.
Intel: Intel은 4개 제품군의 프로세서와 마이크로프로세서를 판매합니다. 프리미엄 라인은 Core i3와 같은 프로세서 모델을 포함한 Intel Core입니다. Intel의 Xeon 프로세서는 사무용과 기업용으로 판매됩니다. Intel의 Celeron 및 Intel Pentium 라인(Pentium 4 싱글 코어 CPU와 같은 모델)은 Core 라인보다 느리고 성능이 덜 강력한 것으로 간주됩니다.

CPU의 신뢰할 수 있는 역할 이해

CPU를 고려할 때 CPU가 포함하고 사용하는 다양한 구성 요소에 대해 생각해 볼 수 있습니다. 또한 CPU 설계가 초기의 초대형 실험에서 현대의 소형화 시대로 어떻게 발전해왔는지도 생각해볼 수 있습니다.

하지만 크기나 모양이 어떻게 변화하든 CPU는 언제든지 정확하게 작동하며 신뢰할 수 있다는 특징 덕분에 CPU 자체로 남아 계속 활용될 것입니다.

스마트 컴퓨팅은 신뢰할 수 있는 적절한 장비를 갖추는 데 달려 있습니다. IBM은 현대의 업무 환경에서 발생 가능한 모든 문제를 견딜 수 있는 강력한 서버를 구축합니다. 조직에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 필요한 IBM 서버를 찾아보세요.

작가

Phill Powell

Staff Writer

IBM Think