CPU

[새우]

CPU(Centrol Processing Unit)
산술과 논리연산,시스템 제어장치 그리고 주기억 장치를 포함(사람으로 표현하면 두뇌와 같은 곳이다.).
메인 보드에 장착하고 시스템버스(SYSTEM BUS)라는 전송 통로를 통해서 메모리나 주변장치와 데이터를 주고 받는다.
PC의 대중화된 계기는 전자 기술의 발전으로 VLSI와 같은 고집적 전자 회로 부품이 개발됨에 따라 가능해진 것으로 그 중에서도 마이크로프로세서(CPU)라는 중앙처리장치용 산술/논리 연산장치, 제어장치가 개발됨에 따라 가능해졌다.
1) CPU의 기능
A) 기본적인 기능
- 산술연산: 덧셈,뺄셈,곱셈,나눗셈을 하는 기능으로 가장 기본적인 기능에 해당한다.
- 논리연산: 검사기능, 조건 분기기능, 반복기능의 3가지가 있으며 논리 연산을 통해 우리가 머리 속에서 생각할 수 있는 논리들을 구현할 수 있다.
B) 외적 기능
메모리에 있는 정보를 읽거나 쓸 수도 있으며 컴퓨터에 있는 모든 하드웨어를 제어할 수 있다.
2) CPU의 구성
메모리,스택,레지스터의 세가지 요소가 반드시 필요하다.
- 메모리는 CPU의 외부에 위치해 있으며 연산시 필요한 프로그램과 데이터를 저장한다.
- 레지스터는 메모리처럼 데이터를 저장하기는 하지만 메모리와 다르게 프로세서 안에 위치해 있으면서 CPU 연산시 필요한 정보를 저장하는 아주 작은 공간이다.
- 스택은 프로그램이 인터럽트가 걸렸을 때 현재의 작업을 저장하는 곳으로 인터럽트가 끝나면 원래의 작업으로 정확하게 돌아갈 수 있도록 정보를 되돌려 주는 역할을 한다.
3) CPU의 속도
MHz로 클럭 속도를 표시한다.
컴퓨터는 클럭 발생장치를 통해 일정한 속도의 전기적인 리듬, 즉 클럭을 만들어 낸다. CPU를 비롯한 모든 장치들은 이 클럭속도에 따라 일을 하게된다. CPU가 기본적으로 1번의 클럭 주기에 1개의 명령을 수행 한다고 할 때 이 클럭 값이 높을수록 CPU는 빠르게 일을 한다.
4) 슬롯과 소켓방식
- 소켓: 386시절에는 거의 사용하지 않았고 486으로 넘어오면서 발전하기 시작했다.
펜티엄 초기에 350개의 핀을 가진 소켓-5가 사용되었으나 곧 소켓-7으로 넘어 왔고 소켓-7은 MMX나 K6에서 사용되었다. 이후 펜티엄 프로가 나왔으나 성능대비 가격이 비싸 사라졌으며 그후 펜티엄2를 사용할 수 있는 슬롯 방식이 나오게 되었다.

5) 오버 클럭킹
펜티엄의 클럭 펜티엄 II의 클럭
CPU내부클럭 CPU외부클럭 배율 CPU내부클럭 CPU외부클럭 배율
75 50 1.5 233 66 3.5
90 60 1.5 266 66 4
100 66 1.5 300 66 4.5
120 60 2 333 66 5
133 66 2 350 100 3.5
150 60 2.5 400 100 4
166 66 2.5 450 100 4.5
200 66 3
233 66 3.5
A) CPU가 동작하는데 필요한 클럭은 ‘오실레이터’라는 크리스탈의 압전 효과를 이용하여 만들어진 전자부품에 의하여 만들어지고 CPU는 설계 당시 최적의 성능을 낼 수 있는 클럭 속도를 가지고 있는데 그 클럭에서 최적화 된다는 것이지 그 클럭이 아니먄 동작을 하지 않는 다는 것은 아니다. 이런 CPU의 특징을 이용해 고의로 CPU의 클럭을 높이는 것이 ‘오버클럭킹’이다.
B) 내부 클럭과 외부 클럭
- 내부 클럭: 우리가 흔히 MMX200이라고 할 때, 이 때 200이란 숫자가 내부 클럭이다. 이것은 CPU에서 일을 하
는 속도이다.
- 외부 클럭: CPU에서 다른 부품에 전달되는 데이터의 속도이다.
- 클럭의 단위는 MHz가 사용되는데 1,000,000Hz를 의미하며, 한번의 주기가 반복되는 것을 1Hz라고 한다.
6) 캐시 메모리
장치와 장치간의 속도 차이를 극복하고 자주 사용하는 데이터를 임시 저장하여 줌으로써 엑세스 속도를 향상시키는 역활을 해주는 메모리다. 어떤 프로그램이 실행될 때 CPU는 주기억장치의 내용을 읽어 들여 명령을 처리한다. 이 경우 반복적인 명령을 수행할 때 매 번 주기억장치의 내용을 읽어와야 하므로 처리속도에 영향을 주게 되는데, 이는 CPU와 주기억 장치의 속도 차이 때문이다. 그래서 주기억장치에 사용되는 RAM의 속도보다 빠른 SRAM이라 불리는 캐시를 이용하여 CPU가 처리한 명령을 저장하여 다시 그 명령을 읽을 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 읽음으로서 처리속도를 향상시킨다.
A) L1캐시와 L2캐시
- L1캐시: CPU에 내장된 캐시
- L2캐시: 주기억장치와 CPU의 캐시(외부캐시)
7) CPU의 구분
A) 인텔사의 CPU
- 펜티엄(Pentium):펜티엄은 한번의 클럭 사이클로 2개의 연산을 처리할 수 있는 동일한 클럭의 486보다 2배나 빠른 처리속도를 가지게 슈퍼스 칼라 설계를 하고, 486보다 성능이 향상된 부동소수점 유닛을 사용, 명령처리와 데이터처리용으로 각각 사용되는 8KB의 캐시, 65Bit로 접속하는 메모리, 멀티프로세싱의 기능을 가진다.
- 펜티엄프로(Pentium Pro): 기존의 펜티엄 CPU에 16KB의 내부캐시와 256KB의 외부캐시를 내장한 듀얼 팁 모듈형태로 병렬처리가 가능해 메모리 엑세스 기능이 향상된 제품이다. 32Bit 프로그램을 사용할 때 정확히 성능이 나타난다고 한다. OS는 WINDOWS NT가 주로 사용되고 이를 위해선 Open GL이 지원되는 그래픽카드를 사용하여 제 성능을 발휘 할 수 있다.
- 펜티엄 MMX(Pentium MMX): 멀티미디어 기능이 펜티엄보다 월등히 향상된 MMX CPU를 발표했다. MMX는 멀티미디어 데이터 처리능력을 향상시키는 57개의 명령어를 개발하여 기존의 인텔 아키텍처와 완전히 호환성을 가지고 있다. 기존의 펜티엄과의 차이는 CPU의 내부캐시를 32KB로 향상시키고 전압을 2.8V로 낮춘 것이다.
- 펜티엄 II(Pentium II):동적 수행기술, 즉 병렬로 처리되는 데이터량을 크게 늘려 CPU의 전체성을 향상시키는 기술로서 비순차적 수행과 예측수행 개념을 이용하므로서 명령어가 순서대로 작동하는 예전 방식의 한계를 넘어섰다. 클럭당 3개의 명령어를 해석, 해석된 명령어를 40개까지 저장한다. 또한 클럭당 4개의 명령어를 작동시킨다. 독립된 이중 버스구조(D.I.B)로 CPU의 신호가 시스템버스를 통해 외부의 2차 캐시로 전달되고 여기서 다시 각 주변기기로 흐른다. 그러나 시스템버스가 CPU의 처리 속도를 따라가지 못하면 병목현상이 생겨 시스템 성능은 크게 떨어진다. 이 문제를 없애기 위해 버스 구조를 이중으로 만들었다. CPU와 2차 캐시 사이에 버스를 하나더 만들어 데이터 처리속도를 향상 시켜준다. 이는 66MHz 시스템버스가 100MHz이상으로 향상되어도 적응할 수 있는 가능성을 가지게 된다. 펜티엄2에 들어있는 기능 중에 빼놓을 수 없는 것은 MMX기술이다. 마지막으로 SEC 카트리지인데 이것이 바로 펜티엄2의 겉모양을 설명해 주는 핵심이 된다. 이는 소켓이 아닌 슬롯 방식으로 전환할 수 있는 기술이 되었다. 즉 모양이 바뀌면서 대량생산이 수월해지고 또 파손의 염려가 줄고 방열이 쉬워졌다.
- 셀러론(Celeron): INTEL사가 셀러론 CPU를 발표한 이유로는 저가 PC시장을 공략하기 위한 것이다. 저가시장은 AMD사와 Cyrix사가 가지고 있는데 이들의 추격을 저지하기 위해 펜티엄2에서 가장 비싼 부품인 외부캐시를 없애서 가격을 다운 시킨 제품이다. 초기 셀러론은 외부캐시가 없이 나왔으나 300A이루 셀러론 제품은 128KB의 외부캐시가 포함되었다. 그러나 펜티엄2의 성능을 내기에는 부족하였다.이후 소켓용 셀러론도 선을 보였고 PPGA방식인데 일반 소켓-7방식이 소켓 370이라 불리는 소켓을 사용한다. 셀러론의 장점을 꼽으면 오버클럭에 대한 유연성이다.
- 펜티엄 II XEON(Pentium II XEON):제온은 중급의 서버 워크스테이션을 위한 프로세서이다. 고성능을 여하는 업무용 환경에 적합하게 설계된 프로세서이다. INTEL사의 확장서버 메모리 기술 사용, 서버에서 4GB이상의 메모리 지원,어드레스 지정 가능 메모리 관리 최고 64GB지원, 시스템관리 버스를 통한 시스템 관리 기능을 제공한다.
- 펜티엄 III(Pentium III):70개의 새로운 명령을 이용하여 다양한 응용프로그램을 보다 빠르게 처리 프로세서에 시리얼넘버를 추가 하였다. CPU 각각 모두 다른 이 시리얼넘버는 논란의 대상이 되고 있다. 용도는 인터넷 상거래가 늘어남에 따라 타인의 ID,암호의 도용을 막기위해 내놓은 INTEL사의 기술이다. 비 번호는 웹상에 접속하면 그 사이트에 공개되며 본인 여부를 정확히 파악한다. 그러나 개인정보의 노출 등의 이유로 초기부터 많은 논란이 되고 있다.
B) AMD사의 CPU
참고: AMD사는 INTEL의 가장 강력한 경쟁자. AMD사의 CPU는 가격대 성능비에서 INTEL사를 위협하고 있다.
- K6-2와 K6-3: K6-2에는 57개의 MMX명령외에도 21개의 부동소수점 연산에 관련된 MMX명령이 추가된 제품이다. AMD사에서는 이 명령을 3D NOW!라 부른다. K6-2부터는 외부클럭이 100MHz로 향상되었다. 그 만큼 내부의 데이터 전송폭이 커져 최대 800MB까지 데이터를 전송할 수 있으며, 기존의 66MHz에 비해 이론상 50% 성능이 향상된 셈이다.
- K7: 공개된 내용만으로는 INTEL의 펜티엄 프로세서를 능가하는 제품으로 알려져 있다. 500MHz이상의 내부 클럭과 200MHz의 외부 클럭 속도를 자랑한다. 데이터와 명령어 처리를 위해 각각 64KB로 펜티엄2에 비해 2~4배 크기가 된다. 1클럭당 9개의 부동소수점 및 정수연산을 실행한다. 6개의 정수명령을 한꺼번에 처리할 수 있으며 부동소수점에서는 MMX와 3D NOW! 명령어를 비롯 3개의 명령을 처리하는 등 9개의 명령을 동시 동시처리가 가능가게 되었다. K7은 소켓-A라는 자사의 독자적인 CPU-메인보드 인터페이스를 가지고 있으며, K7에 최적화된 메인보드와 칩셋을 사용해야 한다. 근데 현 시중에는 이것을 지원할 만한 메인보드를 찾기 힘들다.
C) Cyrix사의 CPU
- M II: 다른 CPU와는 다른 클럭 방식을 사용한다. Cyrix사의 M II-PR200의 경우 200MHz정도의 속도가 나오지만 실제 클럭은 66MHz X 2.5배로 사용하기 때문에 실제 클럭은 166MHz가 나온다. 하지만 성능은 200MHz라고 Cyrix사는 주장하고 있다. MMX지원은 INTEL의 57개의 명령과 호환되며 MMX 지원 프로그램을 사용할 수 있다. 내부캐시는 다른 CPU보다 많은 모두 64KB이다. 그러므로 약간의 수행처리 능력이 향상되었다.
8) CPU의 성능 구분은
CPU는 같은 종류라도 동작속도나 기능에 따라 성능의 차이가 나타나고 그에 따라 가격의 차이도 난다. CPU가 어떠한 성능으로 차별화 되며 가격의 차이가 생기는가에 초점을 두어야 한다. 286,386,486,펜티엄에 이르기까지 CPU의 성능의 구분은 데이터를 16비트로 처리하느냐 32비트로 처리하느냐, 또는 보조프로세서가 있느냐 없느냐에 따라 성능을 판단하였으며 데이터를 64비트로 처리하는 펜티엄 CPU 이후에는CPU 뒤에 붙는 동작속도(CPU 클럭주파수)에 따라 성능을 쉽게 구분할 수 있게 되었다. CPU의 성능은 CPU의 주파수클럭, CPU의 캐시램, CPU의 전압(볼트) 그 밖에 CPU에 내장된 명령들(Instruction)에 따라 구분되기도 하지만 궁극적으로 CPU의 처리속도 하고 연관이 있다.
9) CPU의 클럭주파수[동작 속도]
CPU가 장착되는 메인보드(Main Board)에는 작은 수정(Cryatal)이 내장되어 있는데 그것이 CPU에 클럭신호(clock tick)를 보낸다. 그 신호를 받은 CPU는 어떠한 동작을 취하도록 되어있다. 초당 일정한 클럭신호를 끊임없이 보냄으로써 CPU가 데이터 처리에 관련된 동작을 하기 때문에 초당 클럭신호가 많을수록 더 많은 데이터를 처리할 수 있다. 첫 세대 CPU들의 클럭주파수(clock frequency)는 4.77MHz였는데 점차 증가하여 16,25,50,60,90,133,200,을 거쳐 오늘날 1GHz까지 이르렀다. 높은 클럭 주파수에서의 문제는 다른 전기적 장치들이 그와 같은 속도에 보조를 맞추어 움직이며 기기안전을 보장할 수 없다는 것이다. 미세한 회로에서 클럭주파수가 너무 높으면 회로기판에 다양한 형태의 전파잡음(radio noise)이 생성되기도 하고 다른 미세한 주변장치들이 영향을 받기 때문이다. 따라서 안정적인 동작을 위해서는 속도에 보조를 맞추어야 한다. 이에 대한 해결책으로 나타난 것이 CPU 배부적으로 높은 클럭주파수를 유지하면서 램(RAM)이나 I/O장치(입출력장치), 데이터 교환이 이루어지는 시스템 버스(Bus)에 대해서는 낮은 클럭주파수에 보조를 맞추는 기능으로 CPU 클럭배수(clock doubling)라고 한다. 이것은 PC를 조립할 때 메인보드에서 사용될 CPU의 속도에 맞추어 클럭배수를 적절하게 설정해 주어야 하기 때문이다. 그렇지 않으면 PC 구동이 않되는 경우도 있다.
10) CPU의 캐시램
CPU는 매우 빠른 처리 속도로 데이터를 전송한다. 일반적인 램(RAM)은 그 속도를 따라가지 못한다. 그래서 캐시(Cache)라고 불리우는 특별한 램(RAM)이 버퍼(데이터 전송의 완급을 조절하는 저장소)와 같은 역할을 한다. CPU가 높은 실행력을 보여주기 위해서는 그것이 최소화가 되어 있어야 하고 CPU안에서의 데이터의 전송이 많으면 많을수록 실행력이 좋아진다. 캐시램은 클럭배수가 된 CPU에서 특별히 중요하게 되었다. 데이터를 더 빠르게 내보내고 받아들이냐에 따라 CPU의 속도가 좌우되기 때문이다. 486 CPU에서부터 2개의 캐시램이 책정되었는데 약어로L1(Level),L2(Level2)캐시라고 한다. L1은 가장 빠른 램(RAM)으로서 CPU의 내부에 있고 L2는 작은 SRAM칩으로서 CPU 외부, 즉 메인보드에 있다. L1 캐시램이 처음으로 등장한 것은 인텔사의 80486DX칩이다. 새로운 CPU의 성능향상에 따라 더 크고 빠른 L1 캐시램이 장착된 CPU가 생산되고 있다. L1,L2의 캐시램은 크기 뿐만이 아니라 Pentium II 부터는 L1,L2 속도 또한 중요시 되어 상위 버전으로 갈수록 점차 빨라지고 있다.
11) 전압과 기타 성능
CPU는 처리속도에 따라 성능이 우열을 가리는데 CPU에 공급되는 전압에 따라 처리속도에 영향을 미친다. CPU와 관련된 수치들 클럭주파수, 캐시램이 크면 클수록 성능이 좋은 것으로 나타나지만 전압의 수치는 예외다. 즉 낮으면 낮을수록 좋다는 것이다. CPU는 비교적 작은 칩으로서 아주 가는 선들로 연결되어 있기에 낮은 전압이 좋다. 공급되는 전압의 양이 많으면 열이 많이 발생하여 그 만큼 처리속도에 영향을 준다. 초기의 펜티엄 칩은 5V의 전압을 사용했지만 지금은 펜티엄MMX CPU는 전압이 2.8V, 펜티엄 II 데슛츠(Deschutes)는 2.0V까지 내려졌다.
12) CPU 기존 제품을 업그레이드 하기 전에 체크해야 할 사항
- 구입시 메인보드에서의 지원여부를 확인한다.
- 리마킹 CPU가 아닌지 주의 깊게 살펴본다.
CPU에는 ‘샤스티’와 ‘세라믹’이란 제품이 있는데 ‘세라믹’의 경우 일종의 벌크와 같다고 생각하면 된다. 대량 납품된 제품이기 때문에 개별 포장이 되어 있지 않고 정품 쿨러가 채택되어 있지 않기 때문에 냉각 효과가 조금 적다. 같은 제품일 경우 샤스타가 세라믹에 비해 약간 비싸다.
- 특정 제품의 경우 오버클럭킹이 잘 되는 제품이 있다.
(예를 들면 ‘셀러론’ 계열의 CPU라고 해도 300MHz 제품이 333MHz 제품에 비해 월등히 오버클럭킹이 잘되기 때문에 컴퓨터 전문가들도 대부분 300MHz 셀러론 제품을 사용할 정도다. K6 계열의 CPU도 오버클럭킹이 잘 되지만, 제품자체가 고열을 발생하기 때문에 고가의 아이스 쿨러등을 추가 장착해 주어야 한다. ‘성주쿨러’라는 볼 베어링이 들어간 저렴한 가격의 고성능 쿨러를 이용하면 K6계열의 제품을 무난히 오버클럭킹 할 수 있다.
- 같은 계열의 CPU라고 할지라도 몇가지 차이점에 따라 가격차이가 난다.
- 신제품 구입시에는 ‘구입 당시 가격’이 아닌 현제 신제품을 구입할 수 있는 가격’을 기준으로 결정한다.
[참고]CPU의 명칭: 셀러론(Celeron), 멘도시노(Mandocino), 클라메스(Klamath), 데슛츠(Deschutes), 제온(Xeon)
[참고]CPU의 또 다른 구분 형태: 소켓, 슬롯