하드웨어 CPU (central processing unit) 중앙처리장치

[시냅스]

 중앙처리장치 (CPU, central processing unit)

요약

명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어하는 컴퓨터 시스템의 핵심적인 장치.

                                         ↑ 중앙처리장치 회로 

본문

컴퓨터 시스템 전체를 제어하는 장치로서, 다양한 입력장치로부터 자료를

받아서 처리한 후 그 결과를 출력장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고

조정하는 일을 수행한다. 

모든 컴퓨터의 작동과정이 중앙처리장치의 제어를 받기 때문에 컴퓨터의 두뇌에 해당한다. 

중대형 컴퓨터에서는 이를 중앙처리장치(central processing unit:CPU)라 하지만, 

소형 컴퓨터에서는 때로 마이크로프로세서(micro processor) 또는 줄여서 그냥 프로세서라

부르기도 하는데, 명칭만 다를 뿐 기본적으로 동일한 기능을 수행한다. 

마이크로프로세서는 명령 집합 형태에 따라 두 가지 종류가 있다.

 CISC(complex instruction set computer)는 마이크로 프로그래밍을 통해 다양한 명령어 형식을 

제공하지만 구조가 복잡해서 생산단가가 비싸다. RISC(reduced instruction set computer)는

연산속도를 향상시키기 위해 제어 논리를 단순화해서 CISC에 비해 가격이 저렴하고

주로 워크스테이션에 쓰인다.

중앙처리장치는 비교, 판단, 연산을 담당하는 논리연산장치(arithmetic logic unit)와 명령어의

해석과 실행을 담당하는 제어장치(control unit)로 구성된다. 논리연산장치(ALU)는 각종 덧셈을

수행하고 결과를 수행하는 가산기(adder)와 산술과 논리연산의 결과를 일시적으로 기억하는

레지스터인 누산기(accumulater), 중앙처리장치에 있는 일종의 임시 기억장치인 

레지스터(register) 등으로 구성되어 있다.

제어장치는 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기(program counter), 현재

수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터(instruction register), 명령 레지스터에

수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로

이루어져 있다.

컴퓨터의 기본적인 차이는 중앙처리장치인 마이크로프로세서의 처리 능력에 따라 구분된다. 

CPU의 내부 또는 외부와 데이터나 제어신호 등을 주고받을 수 있는 통로를 버스(bus)라고 하는데 

동시에 옮겨 갈 수 있는 비트 수에 따라 8bit, 16bit, 32bit, 64bit 등으로 구분된다. 

일반적으로 말하는 펜티엄 컴퓨터는 내부 버스의 크기가 64bit인 컴퓨터이다.

 
  공간회로망정보처리장치 [ 空間回路網情報處理裝置 ]

  도형과 같이 평면적인 넓이를 가지며, 더욱이 그 전후 좌우의 관계가 의미를 가지고 있는 정보를

  직접 처리할 수 있는 회로망을 가진 장치.

  마이크로프로세서 [ microprocessor ]
  컴퓨터의 연산장치와 제어장치를 1개의 작은 실리콘 칩에 집적시킨 처리장치

  아이디피시스템 [ IDP system ]
  데이터를 중앙에서 집중적으로 일괄처리하는 방식.http://cafe.daum.net/wwwram

  연산장치 [ arithmetic unit , 演算裝置 ]
  컴퓨터에서 4칙 연산과 논리연산 등 계산을 주관하는 장치.

  중앙처리장치 [ central processing unit , 中央處理裝置 ]
  명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어하는 컴퓨터 시스템의 핵심적인 장치.

  캐시메모리 [ cache memory ]
  워크스테이션이나 중대형 컴퓨터의 기본처리장치 속에 들어 있는 고속메모리.

  CISC [ complex instruction set computer ]
  여러 가지 복잡하고 다양한 명령어 회로로 구성된 중앙처리장치의 한 종류.

  멀티프로세싱 [ multiprocessing ]
  컴퓨터 시스템의 처리능력을 높이기 위하여 2대 이상의 CPU를 이용하여

  2개 이상의 작업을 동시에 병렬로 처리하는 형태.

  SPARC [ Scalable Processor Architecture ]
  선 마이크로시스템즈에서 개발한 32비트 마이크로프로세서.
 
  멀티태스킹 [ multitasking ]
  한 사람의 사용자가 한 대의 컴퓨터로 2가지 이상의 작업을 동시에 처리하거나

  프로그램들을 동시에 구동시키는 것.

  제어장치 [ control unit , 制御裝置 ]
   데이터 처리 시스템에서 하나 이상의 주변장치를 제어하는 기능 단위.

CPU(중앙처리장치)

PC를 새로 사거나 업그레이드할 때 반드시 알아보는 것이 PC 부품의 제원(specification)이다. 

보통 표 형태로 적힌 제원을 알면 부품의 호환성, 성능, 크기 · 모양 등 여러가지 정보를 알 수 있지만 대부분의 

제원표는 영문으로 적혀 있어 읽기 어렵고, 전문 용어가 많아서 초보자가 제대로 이해하지 못하는 일이 잦다.

제원표에 적힌 내용만 제대로 알 수 있다면 긴 제품 설명을 읽지 않아도 되고, 자신에게 맞는 최적의 부품을 고를 수 있어 

큰 도움이 됩니다. 여기서는 CPU 제원표에 적힌 내용을 어떻게 읽어야 하는지, 용어를 풀어 설명하도록 하겠다.

▲ 소켓 규격, 핀 수

메인보드와 CPU를 연결하는 곳은 CPU를 꽂게 되어 있기 때문에 '소켓(Socket)'이라고 부른다. 

이 소켓은 수 백개의 구멍으로 이뤄져 있는데 각각의 핀은 여러가지 신호를 전달하는 일을 한다. 

인텔, AMD를 비롯한 CPU 제조사들은 나중에 CPU에 여러 기능을 넣기 위해 역할을 맡기지 않은 여유 핀(다리)을 

두지만 이를 뛰어 넘을 정도로 많은 핀이 있어야 한다면 새로운 CPU 소켓 규격을 만들고 핀 수를 늘린다.

현재 AMD는 754핀(소켓 754), 939핀(소켓 939) 소켓 규격을 표준으로 삼고 있다. 

싱글 채널 메모리 컨트롤러가 들어간 구형 애슬론 64 및 셈프론 CPU는 소켓 754, 지금의 애슬론 64 · 애슬론 64 X2는 

소켓 939 규격을 씁니다. 그밖에 구형 셈프론 CPU가 쓰는 소켓 A(소켓 462)도 있지만 곧 사라질 규격이다.

인텔은 대부분의 CPU를 핀을 없앤 775핀 접점식(LGA 775) 규격으로 내놓고 있다. 이 규격은 

CPU에 다리가 없지만 메인보드 소켓에 다리가 있어 PC 본체와 CPU를 연결한다. CPU 핀이 휠 걱정은 없지만 

메인보드의 핀은 휘면 펴기 어렵기 때문에 이런 문제가 생기면 메인보드 서비스센터를 찾아가야 한다.

▲ 제조 공정

CPU를 비롯한 반도체는 복잡한 회로를 작은 칩에 옮겨 제 기능을 하다. 그렇기 때문에 이 회로는 눈으로 

보이지 않을 정도로 작은데 이 회로의 배선 폭에 따라서 정해진 칩 안에 들어가는 트랜지스터 개수가 정해진다. 

이것을 '제조 공정'이라고 부르는데 제조 공정의 숫자가 작아질수록 같은 공간에 더 많은 기능을 넣을 수 있고, 

더 작고 전기를 덜 쓰는 반도체가 나온다.

2000년대 팔렸던 CPU는 130nm, 90nm, 65nm 공정으로 만드는데 대부분은 90nm로 만들었었고 

새로 나온 CPU는 65nm 공정을 쓰기도 했다. 공정 기술이 작아지면 CPU의 전력 소비량, 발열량이 줄어들고, 

오버클러킹 가능성이 높아지기 때문에 새로운 공정 기술을 쓴 CPU에 관심을 갖는 것이 좋다.

▲ 캐시 메모리

계산을 맡는 CPU와 계산을 기다리거나 끝난 자료를 저장하는 메모리는 뗄 수 없는 관계지만 

3~4GHz 속도로 작동하는 CPU와 달리 메모리 속도는 기껏해야 667MHz를 넘지 못하기 때문에 

메모리는 바쁘게 움직이지만 CPU는 할 일이 없어 노는 '병목현상'이 생기기 쉽다. 이런 병목 현상을 줄이는 

방법으로서 잘 쓰이는 것이 캐시(Cache)다. 캐시는 CPU와 메모리 사이에 놓인 고속 메모리로서 

CPU와 같은 속도로 작동하기 때문에 자주 쓰는 자료를 이 곳에 저장해두면 병목 현상을 줄일 수 있다.

캐시 메모리는 CPU의 명령을 저장하는 데 쓰는 1차 캐시 메모리와 명령어 및 메모리가 처리한 자료를 담아두는 

2, 3차 캐시로 나뉜다. 1차 캐시 메모리 크기는 같은 기술을 쓰는 CPU끼리 같기 때문에 신경 쓰지 않아도 되지만 

2, 3차 캐시 메모리는 CPU의 값을 가르는 열쇠가 된다. 셀러론, 셈프론 등 보급형 CPU는 2차 캐시 메모리 용량을 

128KB~256KB로 묶어두고, 펜티엄 4, 애슬론 64 등 고급형 모델은 512KB~2MB까지 캐시 메모리를 넣는다. 

인텔 제온 등 서버 CPU는 3차 캐시 메모리까지 두기도 한다.

▲ 시스템 버스(FSB) 속도

시스템 버스 또는 FSB(Front Side Bus)는 CPU와 메모리, 칩셋을 연결하는 데이터 통로를 말한다. 

메모리, 그래픽카드, 저장장치, 여러 확장 카드, USB를 비롯한 여러 외부 인터페이스는 CPU로 정보를 보낼 때 

반드시 시스템 버스를 거쳐야 한다. 그래서 시스템 버스 속도가 느리면 여러 장치가 한 번에 많은 데이터를 

주고 받을 때 PC 성능이 떨어진다. 

시스템 버스 속도를 정하는 것은 CPU와 메인보드 칩셋인데 메인보드를 고를 때는 CPU의 시스템 버스 속도를 

뒷받침할 수 있는 제품을 골라야 문제가 생기지 않는다. CPU 제조사들은 시스템 버스 속도를 조절해 

고급형, 보급형 CPU를 나누기도 하는데 보급형과 고급형 CPU의 시스템 버스 속도는 25~50%까지 차이가 난다.

▲ 듀얼 코어

듀얼 코어는 요즘 들어 눈에 띄기 시작한 말입니다. 원래 CPU 안에는 ALU(논리연산장치)와 제어장치 같은 

핵심 기능과 캐시 메모리 등 여러가지 기능을 넣은 'CPU 코어'가 있다. CPU 코어는 CPU의 모든 것을 담고 있어 

사실상 CPU의 모든 것이라고 해도 좋은데 듀얼 코어 CPU는 CPU 칩 위에 코어를 두 개 붙여 2개의 CPU를 

쓴 것과 같은 효과를 낸다. 듀얼 코어 기술은 CPU 코어는 하나지만 가상 CPU를 하나 만들어 남는 CPU 능력을 

활용하는 인텔의 '하이퍼스레딩'과 달리 실제 CPU를 두 개 꽂은 것과 같은 성능을 낸다.

현재 시중에 팔리는 듀얼 코어 CPU는 인텔 펜티엄 D, 인텔 코어 듀오, 듀얼 코어 제온, AMD 애슬론 64 X2, 

듀얼 코어 옵테론이 있고 이 가운데 펜티엄 D와 애슬론 64 X2가 데스크탑 PC에 맞는 모델이다.

▲ 벌크(트레이), 그레이

이 말은 CPU에서만 쓰는 것은 아니지만 CPU를 고를 때 반드시 알고 있어야 나중에 문제가 생기지 않는다. 

CPU를 비롯한 PC 부품은 포장 상태에 따라서 박스와 벌크(Bulk)로 나뉘고, 수입 방식에 따라서 정품과 그레이

(그레이 마켓, Gray Market)로 분류한다. CPU에서 박스는 CPU, 쿨러, 제품보증서를 넣어 밀봉한 제품을 말하고 

벌크는 이런 것 없이 CPU만 떼어 파는 것을 가리킵니다. 벌크 CPU는 쿨러를 따로 사야 하고 보증 기간이 정품 CPU보다 

짧은 1년입니다. 벌크 CPU는 여러 개를 판에 담고 팔기 때문에 '트레이(Tray)'라고 부르기도 한다.

정품 CPU는 인텔, AMD가 인정한 공식 유통사(디스트리뷰터)가 파는 제품을 말하며 박스 패키지에 정품 마크가 

붙어 있거나 제품번호(시리얼 넘버)를 조회할 때 정품으로 나온다. 이런 제품만이 국내에서 제대로 된 애프터 서비스를 

받을 수 있다. 반대로 보따리상 또는 인정받지 못한 유통사가 국내에 들여온 그레이 CPU는 정식 유통사의 

애프터 서비스를 받지 못하며 CPU 제조사에서 직접 받는 애프터 서비스도 불이익을 받게 된다. 벌크, 그레이 CPU 모두 

성능은 박스 정품과 같고 값은 싸지만 애프터 서비스를 제대로 받기 어렵기 때문에 신중히 결정하고 사야 한다.

▲ AMD64, EM64T

요즘 들어 유행하는 '64비트 CPU' 안에는 AMD64 또는 EM64T(Extended Memory 64 Technology) 기술이 들어간다. 

AMD CPU에 들어간 AMD64와 인텔 CPU에 포함된 EM64T는 이름은 다르지만 그 뿌리는 같고, 둘을 합쳐 x64 

또는 x86-64라고 부릅니다. 종전 32비트 CPU에 64비트 명령어 소프트웨어를 수행하고 4GB로 묶인 최고 메모리 용량 

제한을 풀어주는 일을 하는 이 기술은 64비트 전용 소프트웨어를 수행할 때 성능을 조금 높여준다.

이 기술은 모든 애슬론 64, 펜티엄 4 600 시리즈, 펜티엄 4 5x1 시리즈, 셀러론 3x1(6) 시리즈, 64비트 로고가 붙은 

AMD 셈프론 CPU 안에 들어 있습니다. 하지만 종전의 윈도우 9x, 윈도우 2000, 윈도우 XP를 설치하면 아무런 혜택을 

누릴 수 없고 윈도우 XP x64 에디션 또는 x86-64 기술이 들어간 리눅스를 깔아야 한다. 

차세대 운영체제인 윈도우 비스타는 x64 기술에 맞춰 나올 예정이지만 드라이버, 소프트웨어 모두 x64 기술에 

맞게 고쳐 만들지 않으면 성능 향상을 느낄 수 없다.

▲ NX비트, AVP

2003년 1월 25일에 우리나라를 비롯한 전 세계의 PC, 네트워크를 마비시킨 '1.25 인터넷 대란'은 블래스터 웜을 비롯한 

악성 프로그램이 PC를 멎게 하거나 원격 조작하는 기능을 수행하는 '버퍼 오버런(Buffer Overrun)' 공격이 핵심이었다. 

버퍼 오버런 공격이 날로 심해지자 PC 하드웨어, 운영체제 제조사들은 아예 하드웨어에 이 공격을 막는 기능을 

넣기로 했고 그것이 인텔 NX비트, AMD AVP이다.

두 기술 모두 운영체제와 협력해 버퍼 오버런 공격을 일으킬만한 프로그램이 메모리에 올라와 있는지 확인한 뒤 

의심스러운 프로그램은 아예 실행하지 않는 'NX(No Execute)' 기능을 바탕에 둔다. 펜티엄 4 및 셀러론 'J' 시리즈 이후에 

나온 모든 인텔 CPU, 모든 애슬론 64 · 셈프론 PC에 윈도우 XP 서비스 팩 2를 깔면 버퍼 오버런 피해를 줄일 수 있다.

하지만 이 기술은 모든 바이러스, 웜 공격이 아닌 버퍼 오버런 공격만을 막아주며 윈도우 XP 서비스 팩 2 이하 버전 

운영체제를 깔면 보안 혜택을 받지 못한다. 

그렇기 때문에 바이러스 백신, 방화벽 소프트웨어는 따로 설치해 관리해야 바이러스 피해를 막을 수 있다.

▲ ATX, BTX

메인보드, 케이스, 전원공급장치를 비롯한 PC의 기본 뿌리를 정하는 규격을 '폼 팩터(Form Factor)'라고 한다. 

이 폼 팩터는 크게 ATX와 BTX 규격으로 나뉘고 각 규격은 크기에 따라서 표준, 마이크로, 플렉스, 피코 등 

여러가지 규격이 있다. CPU는 폼 팩터와 큰 상관이 없지만 BTX 규격이 생기면서 쿨러의 모양이 크게 변했기 

때문에 BTX PC 전용 쿨러를 넣은 CPU 패키지가 따로 나와 있다. 아직 AMD CPU는 BTX 전용 패키지가 없고 

인텔 CPU만 BTX 쿨러를 넣은 정품 패키지가 팔리고 있다. 

BTX 케이스로 PC를 꾸미실 분은 반드시 BTX 전용 CPU 패키지를 고르길 바란다.