SpeedCpu
컴퓨터 구조와 운영체제
CPU의 성능 향상 기법 - 빠른 CPU를 위한 설계 기법
클럭
조금이라도 더 빠른 CPU를 만들려면 어떻게 CPU를 설계하면 될까?
컴퓨터 부품들은 클럭 신호에 맞춰 일사불란하게 움직인다.
CPU는 명령어 사이클이라는 정해진 흐름에 맞춰 명령어들을 실행한다.
위 두 문장을 보면 클럭 속도가 높아지면 CPU는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복할 것이고, 다른 부품들도 더 빠르게 작동할 것이다.
실제로 헤르츠(Hz, 1초에 클럭이 몇번 반복되는지) 단위로 측정되는 클럭 속도는 CPU 속도 단위로 간주되기도 한다.
오버클럭킹 : 클럭 속도는 일정하지 않고 유연하게 속도를 조절한다. 최대 클럭 속도를 강제로 더 끌어올리는 기법을 말한다.
그렇다면 클럭 신호만 마냥 높이면 CPU가 빨라지는 것일까?
그렇지 않다. CPU는 발열에 약하기 때문에 클럭 속도만 무작정 높이면 발열 문제가 심각해진다.
클럭 속도를 높이는 방법 외에 CPU의 성능을 높이는 방법에 대해 알아보자.
코어와 멀티코어
CPU의 성능을 높이는 방법 중 하나는 코어를 늘리는 방법이 있다.
기술이 발전함에 따라 CPU는 단순히 명령어를 실행하는 부품에서 명령어를 실행하는 부품을 여러 개 포함하는 부품으로 확장되었다.
코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU를 멀티코어 CPU 또는 멀티코어 프로세서라고 부른다. CPU 내에 명령어를 처리하는 일꾼이 여러 명 있는 것과 같다.
하지만 코어 수에 비례해서 무조건 연산 속도가 증가하지는 않는다. 또한 처리하고자 하는 작업량보다 코어 수가 지나치게 많아도 전체 성능에는 큰 영향이 없다.
중요한 것은 코어마다 처리할 명령어들을 적절하게 분배하는 것이고 그에 따라서 연산 속도는 크게 달라질 수 있다.
스레드와 멀티스레드
CPU의 성능을 높이는 방법 중 하나는 스레드를 늘리는 방법이 있다.
스레드의 사전적 의미는 "실행 흐름의 단위"이며, CPU에서 사용되는 스레드와 프로그래밍에서 사용되는 스레드는 차이가 있다.
CPU에서 사용되는 하드웨어적 스레드가 있고, 프로그램에서 사용되는 소프트웨어적 스레드가 있다.
하드웨어적 스레드
스레드를 하드웨어적으로 정의하면 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위를 의미한다.
다음은 한 번에 하나씩 명령어를 실행하는 CPU인 1코어 1스레드 CPU다.
다음과 같이 여러 스레드를 지원하는 CPU는 하나의 코어로도 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있다.
이처럼 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU를 멀티스레드 프로세서 또는 멀티스레드 CPU 라고 한다.
예를 들어 8코어 16스레드 같은 경우, 명령어를 실행하는 부품을 8개 포함하고, 한 번에 16개의 명령어를 처리할 수 있는 CPU를 의미한다. 코어 하나당 2개의 하드웨어 스레드를 처리한다는 뜻과 같다.
소프트웨어적 스레드
스레드를 소프트웨어적으로 정의하면 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위를 의미한다.
하나의 프로그램은 실행되는 과정에서 한 부분만 실행될 수도 있고, 프로그램의 여러 부분이 동시에 실행될 수도 있다.
정리
하드웨어적 스레드 : 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
소프트웨어적 스레드 : 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
한 번에 하나씩 명령어를 처리하는 1코어 1스레드 CPU도 여러 개의 소프트웨어적 스레드를 실행할 수 있다.
멀티스레드 프로세서
소프트웨어적 스레드를 스레드, 하드웨어적 스레드를 하드웨어 스레드라고 해보자.
멀티스레드 프로세서는 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 처리하는 CPU이다. 어떻게 처리하는 것일까?
실제로는 매우 복잡하지만, 가장 큰 핵심은 레지스터이다. 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하도록 만들려면 하나의 명령어를 처리하기 위해 꼭 필요한 레지스터를 여러 개 가지고 있으면 된다.
프로그램 카운터, 스택 포인터, 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터 등
레지스터 세트가 한 개인 CPU는 한 개의 명령어를 처리하기 위한 정보들을 기억할 것이고, 레지스터 세트가 두 개인 CPU는 두 개의 명령어를 처리하기 위한 정보들을 기억할 수 있다.
메모리 속 프로그램 입장에서 하드웨어 스레드는 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU나 다름없다.
예를 들어 2코어 4스레드 CPU는 한 번에 네 개의 명령어를 처리할 수 있는데, 프로그램 입장에서는 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU가 네 개 있는 것처럼 보인다.
그래서 하드웨어 스레드를 논리 프로세서라고도 부른다.
정리
코어 : 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품
스레드 : 명령어를 실행하는 단위
멀티코어 프로세서 : 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU 안에 두 개 이상 있는 CPU
멀티스레드 프로세서 : 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU
Last updated