중앙 처리 장치(CPU)는 컴퓨터의 두뇌입니다. 작업의 할당 및 처리를 담당하고 모든 유형의 컴퓨터가 사용하는 운영 기능을 관리합니다.

CPU 유형은 데이터 처리에 사용하는 칩의 종류에 따라 지정됩니다. 다양한 종류의 프로세서와 마이크로프로세서가 출시되고 있으며, 항상 새로운 강력한 프로세서가 개발되고 있습니다. CPU가 제공하는 처리 능력으로 컴퓨터는 멀티태스킹 활동을 수행할 수 있습니다. 사용 가능한 CPU 유형을 논의하기 전에 CPU 유형을 이해하는 데 필수적인 몇 가지 기본 용어를 명확히 해야 합니다.

CPU 내부에는 수많은 구성 요소가 있지만, 이러한 측면은 CPU 작동과 CPU 작동 방식을 이해하는 데 특히 중요합니다.

• 캐시: 정보 검색에 있어서 메모리 캐시는 필수적입니다. 캐시는 사용자가 최근에 사용한 데이터에 빠르게 액세스할 수 있는 저장 영역입니다. 캐시는 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU) 내부에 있는 메모리 영역에 데이터를 저장하여 랜덤 액세스 메모리(RAM)보다 더 빠른 데이터 검색 속도를 구현합니다. 캐시는 소프트웨어 개발 또는 하드웨어 구성 요소를 통해 만들 수 있습니다.

• 클럭 속도: 모든 컴퓨터에는 컴퓨터 작업의 속도와 주파수를 조절하는 내부 클럭이 장착되어 있습니다. 클럭은 전기 펄스 전송을 통해 CPU의 회로를 관리합니다. 이러한 펄스의 전달 속도를 클럭 속도라고 하며, 헤르츠(Hz) 또는 메가헤르츠(MHz) 단위로 측정됩니다. 전통적으로, 처리 속도를 높이는 한 가지 방법은 클럭을 정상보다 더 빠르게 설정하는 것입니다.

• 코어: 코어는 프로세서 내에서 프로세서 역할을 합니다. 코어는 다양한 프로그램 명령을 읽고 실행하는 처리 장치입니다. 프로세서는 내장된 코어 수에 따라 분류됩니다. 다중 코어가 있는 CPU는 단일 코어 프로세서보다 훨씬 빠르게 명령을 처리할 수 있습니다. (참고: "Intel Core"라는 용어는 Intel의 멀티 코어 CPU 제품 라인을 마케팅하기 위해 상업적으로 사용됩니다.)

• 스레드: 스레드는 운영 체제의 스케줄러가 독립적으로 관리하고 처리하기 위해 CPU로 보낼 수 있는 프로그래밍 가능한 명령어의 가장 짧은 시퀀스입니다. 여러 스레드를 동시에 실행하는 멀티스레딩을 통해 컴퓨터 프로세스를 동시에 실행할 수 있습니다. 하이퍼 스레딩은 계산 병렬화를 위한 Intel의 독점적인 형태의 멀티스레딩을 나타냅니다.

CPU의 기타 구성 요소

최신 CPU에는 위의 구성 요소 외에도 일반적으로 다음이 포함됩니다.

• 산술 논리 장치(ALU): 수학 방정식 및 논리 기반 비교를 포함한 모든 산술 연산과 논리 연산을 수행합니다. 두 가지 유형 모두 특정 컴퓨터 작업과 관련이 있습니다.
• 버스: 컴퓨터 시스템 구성 요소 간의 적절한 데이터 전송과 데이터 흐름을 보장합니다.
• 제어 장치: 전기 펄스 시스템을 발행하여 컴퓨터 시스템을 이끌고 시스템이 높은 수준의 컴퓨터 명령을 수행하도록 지시하는 집약적인 회로가 포함되어 있습니다.
• 명령어 레지스터 및 포인터: CPU에서 실행할 다음 명령어 집합의 위치를 표시합니다.
• 메모리 장치: 메모리 사용량과 RAM과 CPU 간의 데이터 흐름을 관리합니다. 또한 메모리 장치는 캐시 메모리 처리를 감독합니다.
• 레지스터: 정기적으로 즉시 처리해야 하는 지속적이고 반복적인 데이터 요구 사항을 위해 내장된 영구 메모리를 제공합니다.

CPU는 동기화 지원을 제공하는 컴퓨터 시계와 관련하여 제어 장치에 의해 관리되는 일종의 반복 명령 주기를 사용합니다.

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

세 가지 기본 컴퓨팅 명령은 다음과 같습니다.

• 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.

더 빠른 처리 속도를 구현하려는 기본적인 시도로 인해 일부 컴퓨터 소유자는 일반적으로 더 많은 메모리 코어를 적용해야 하는 고속 성능을 창출하는 것과 관련된 일반적인 단계를 포기하게 되었습니다. 대신, 이러한 사용자는 컴퓨터 클럭을 조정하여 작업이 컴퓨터에서 더 빠르게 실행되도록 합니다. "오버클러킹" 프로세스는 스마트폰의 "탈옥"과 유사하므로 성능을 변경할 수 있습니다. 안타깝게도 스마트폰을 탈옥하는 것과 마찬가지로 이러한 조작은 장치에 잠재적으로 해로울 수 있으며 컴퓨터 제조업체에서는 이를 승인하지 않습니다.

CPU는 이를 구동하는 프로세서 또는 마이크로프로세서에 의해 정의됩니다.

• 싱글 코어 프로세서: 싱글 코어 프로세서는 다이(칩과 마이크로칩이 부착되는 실리콘 기반 소재)에 하나의 CPU가 탑재된 마이크로프로세서입니다. 싱글 코어 프로세서는 일반적으로 멀티 코어 프로세서보다 느리게 실행되고 단일 스레드에서 작동하며 한 번에 한 번만 명령어 주기 시퀀스를 수행합니다. 이는 범용 컴퓨팅에 가장 적합합니다.
• 멀티 코어 프로세서: 멀티 코어 프로세서는 두 개 이상의 활동 섹션으로 나뉘며, 각 코어는 기술적으로 단일 칩에 함께 위치하지만 각 코어는 완전히 별개의 컴퓨터인 것처럼 명령을 수행합니다. 많은 컴퓨터 프로그램에서 멀티 코어 프로세서는 우수한 고성능 출력을 제공합니다.
• 임베디드 프로세서: 임베디드 프로세서는 임베디드 시스템에서 사용하도록 특별히 설계된 마이크로프로세서입니다. 임베디드 시스템은 크기가 작고 전력 소비가 적도록 설계되었으며 데이터에 즉시 액세스할 수 있도록 프로세서 내에 포함되어 있습니다. 임베디드 프로세서에는 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러가 포함됩니다.
• 듀얼 코어 프로세서: 듀얼 코어 프로세서는 서로 독립적으로 작동하는 두 개의 마이크로프로세서를 포함하는 멀티 코어 프로세서입니다.
• 쿼드 코어 프로세서: 쿼드 코어 프로세서는 독립적으로 작동하는 4개의 마이크로프로세서가 있는 멀티 코어 프로세서입니다.
• 옥타 코어: 옥타 코어 프로세서는 독립적으로 작동하는 8개의 마이크로프로세서가 있는 멀티 코어 프로세서입니다.
• 데카 코어 프로세서: 데카 코어 프로세서는 하나의 다이 또는 패키지당 10개의 코어가 있는 집적 회로입니다.

여러 회사가 CPU를 지원하는 제품을 제조하거나 소프트웨어를 개발하고 있지만, 최근 몇 년 사이 그 수는 소수의 주요 업체로 줄어들었습니다.

이 분야의 두 주요 회사는 Intel과 Advanced Micro Devices(AMD)입니다. 각각은 서로 다른 유형의 명령 집합 아키텍처(ISA)를 사용합니다. Intel 프로세서는 복합 명령 집합 컴퓨터(CISC) 아키텍처를 사용합니다. AMD 프로세서는 축소 명령 집합 컴퓨터(RISC) 아키텍처를 따릅니다.

• Intel: Intel은 4개 제품군의 프로세서와 마이크로프로세서를 판매합니다. 프리미엄 고급 라인은 Intel Core입니다. Intel의 Xeon 프로세서는 사무용과 기업용으로 출시되었습니다. Intel의 Celeron 및 Intel Pentium 라인은 Core 라인보다 느리고 성능이 덜 강력한 것으로 간주됩니다.

• Advanced Micro Devices(AMD): AMD는 CPU와 APU(accelerated processing units, 즉 가속 처리 장치의 약자)의 두 가지 제품 유형의 프로세서와 마이크로프로세서를 판매합니다. APU는 독점적인 Radeon 그래픽이 탑재된 CPU입니다. AMD의 Ryzen 프로세서는 비디오 게임 시장을 겨냥한 고속, 고성능 마이크로프로세서입니다. Athlon 프로세서는 이전에는 AMD의 고급 라인으로 간주되었지만, 현재 AMD는 이 프로세서를 기본 컴퓨팅 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.

그래픽 처리 장치(GPU)

'그래픽 처리 장치'라는 용어에는 '그래픽'이라는 단어가 포함되지만, 이 표현은 속도라는 GPU의 본질을 제대로 담아내지 못합니다. 여기에서 증가된 속도는 컴퓨터 그래픽을 가속화하는 동력입니다.

GPU는 원래 용도인 PC, 스마트폰, 비디오 게임 콘솔에 바로 적용할 수 있는 전자 회로의 일종입니다. 이제 GPU는 암호화폐 채굴이나 신경망 훈련과 같이 그래픽 가속과 무관한 용도로도 사용됩니다.

마이크로프로세서

컴퓨터 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.

출력 장치

CPU의 명령어 집합을 실행하는 출력 장치가 없다면 컴퓨팅은 매우 제한적인 활동만 할 수 있게 됩니다. 이러한 장치에는 컴퓨터 외부에 부착하여 기능을 크게 향상시키는 주변 장치가 포함됩니다.

주변 장치는 컴퓨터 사용자가 컴퓨터와 상호 작용하고 컴퓨터 사용자의 요구에 따라 명령을 처리하도록 할 수 있는 수단을 제공합니다. 여기에는 키보드, 마우스, 스캐너, 프린터와 같은 데스크톱 필수 요소가 포함됩니다.

최신 컴퓨터에서 흔히 볼 수 있는 부속 장치는 주변 장치뿐만이 아닙니다. 비디오 카메라나 마이크처럼 정보를 수신하고 정보를 전송하는 입출력 장치도 널리 사용되고 있습니다.

전력 소비량

전력 소비는 몇 가지 문제에 영향을 미칩니다. 그 중 하나는 멀티 코어 프로세서에서 발생하는 열의 양과 관련되어 있는데, 장치에서 과도하게 발생한 열을 발산하여 컴퓨터 프로세서가 열 보호 상태를 유지하도록 해야 합니다. 이러한 이유로 하이퍼스케일 데이터 센터(수천 대의 서버를 수용하고 사용하는)는 광범위한 공조 및 냉각 시스템을 갖추도록 설계됩니다.

또한 지속가능성에 대한 의문도 있는데, 수천 대가 아닌 몇 대의 컴퓨터를 사용하는 경우에도 마찬가지입니다. 컴퓨터와 CPU의 성능이 높을수록 작동을 지원하는 데 더 많은 에너지가 필요하며, 일부 거시적 규모의 경우 이는 기가헤르츠(GHz)의 컴퓨팅 성능을 의미할 수 있습니다.

특수 칩

컴퓨팅이 시작된 이래 가장 획기적인 발전을 이룬 인공 지능(AI)은 이제 대부분의 컴퓨팅 환경, 아니 모든 컴퓨팅 환경에 영향을 미치고 있습니다. CPU 분야에서 우리가 목격하고 있는 발전 중 하나는 AI(또는 기타 특수 목적)와 관련된 크고 복잡한 워크로드를 처리하도록 특별히 설계된 특수 프로세서를 만드는 것입니다.

• 이러한 장비에는 AI 애플리케이션 외에도 머신 러닝(ML) 작업을 처리하는 텐서 스트리밍 프로세서(TSP)가 포함됩니다. AI 작업에 똑같이 적합한 다른 제품으로는 AMD Ryzen Threadripper 3990X 64코어 프로세서와 24코어를 사용하는 Intel Core i9-13900KS 데스크톱 프로세서가 있습니다.
• 동영상 편집과 같은 애플리케이션의 경우 많은 사용자가 Intel Core i7 14700KF 20코어, 28스레드 CPU를 선택합니다. 또 다른 사람들은 비디오 편집 목적으로 AMD 최고의 CPU로 간주되는 Ryzen 9 7900X를 선택합니다.
• 비디오 게임 프로세서 측면에서 AMD Ryzen 7 5800X3D는 게임 그래픽을 향상시키고 가속화하는 데 도움이 되는 3D V-Cache 기술을 특징으로 합니다.
• Windows와 같은 OS를 실행하거나 멀티미디어 웹사이트를 탐색하는 등 일반적인 컴퓨팅의 경우, 최신 모델의 AMD 또는 Intel 프로세서라면 일상적인 작업을 쉽게 처리할 수 있습니다.

트랜지스터

트랜지스터는 일반적으로 전자 제품과 특히 컴퓨팅에 매우 중요합니다. 이 용어는 '전달 저항'의 합성어로, 일반적으로 회로를 통해 흐르는 전류의 양을 제한하거나 제어하는 데 사용되는 반도체로 만들어진 구성 요소를 의미합니다.

컴퓨팅에서 트랜지스터는 매우 중요한 요소입니다. 트랜지스터는 모든 마이크로칩 제작의 기본 구성 요소입니다. 트랜지스터는 CPU를 구성하는 데 도움을 주며, 컴퓨터가 부울 로직을 해석하는 데 사용하는 0과 1의 이진 언어를 만드는 데 사용됩니다.

컴퓨터 과학자들은 항상 CPU의 출력과 기능을 향상시키기 위해 노력하고 있습니다. 다음은 향후 CPU에 대한 몇 가지 예측입니다.

• 새로운 칩 재료: 실리콘 칩은 오랫동안 컴퓨팅 산업과 기타 전자제품의 주축을 담당해 왔습니다. 새로운 프로세서 제품군(ibm.com 외부 링크)은 향상된 성능을 제공하는 새로운 칩 소재를 활용할 것입니다. 여기에는 탄소 나노튜브(사람 머리카락 굵기보다 약 100,000배 작은 탄소 기반 튜브를 통해 우수한 열전도율을 나타냄), 그래핀(뛰어난 열적, 전기적 특성을 가진 물질) 및 스핀트로닉 부품(전자가 회전하는 방식에 대한 연구에 의존하며 결국 회전하는 트랜지스터를 생산할 수 있음)이 포함됩니다.
• 바이너리를 대체하는 Quantum: 현재 CPU는 바이너리 언어 사용에 의존하고 있지만, 양자 컴퓨팅은 결국 이를 바꿀 것입니다. 양자 컴퓨팅은 바이너리 언어 대신 물리학 연구에 혁명을 일으킨 학문인 양자 역학에서 핵심 원리를 도출합니다. 양자 컴퓨팅에서 이진수(1과 0)는 현재 두 개의 환경 대신에 여러 환경에 존재할 수 있습니다. 또한 이 데이터는 두 곳 이상의 위치에 저장되므로 가져오기가 더 쉽고 빨라집니다. 그 결과 사용자의 컴퓨팅 속도가 눈에 띄게 향상되고 처리 능력이 전반적으로 향상됩니다.

• 모든 곳에서 활용되는 AI: 컴퓨팅 산업과 일상 생활 모두에서 인공 지능이 계속해서 그 존재감을 드러내면서 이는 CPU 설계에 직접적인 영향을 미치게 될 것입니다. 앞으로는 컴퓨터 하드웨어에 직접 AI 기능을 통합하는 사례가 늘어날 것으로 예상됩니다. 그렇게 되면 훨씬 더 효율적인 AI 처리를 경험하게 될 것입니다. 또한, 사용자는 처리 속도가 빨라지고 실시간으로 독립적으로 의사 결정을 내릴 수 있는 디바이스를 사용할 수 있게 됩니다. 하드웨어 구현을 기다리는 동안 칩 제조업체인 Cerebras는 이미 자사 제조업체가 "세계에서 가장 빠른 AI 칩"이라고 주장하는 프로세서를 공개했습니다(ibm.com 외부 링크). WSE-3 칩은 최대 24조 개의 매개변수로 AI 모델을 훈련할 수 있습니다. 이 메가 칩에는 90만 개의 코어 외에도 4조 개의 트랜지스터가 포함되어 있습니다.

기업은 투자하는 컴퓨터에서 많은 가치를 얻기를 기대합니다. 결과적으로 이러한 컴퓨터는 오늘날의 데이터 집약적인 비즈니스 환경에서 볼 수 있는 까다로운 워크로드를 처리할 수 있는 충분한 처리 능력을 갖춘 CPU에 의존합니다.

조직에는 변화에 따라 변경할 수 있는 실행 가능한 솔루션이 필요합니다. 스마트 컴퓨팅은 업무가 진화하더라도 이를 뒷받침할 수 있는 장비를 갖추고 있어야 합니다. IBM 서버는 강력한 성능과 유연성을 제공하므로 사용자는 당면한 작업에 집중할 수 있습니다. 조직이 현재와 미래에 필요한 결과를 얻는 데 필요한 IBM 서버를 찾아보세요.