[하드웨어 뜯어보기] 메인보드 #25 - 메인보드의 버스 구조

데이터가 오가는 고속도로

핵심요약
버스(Bus)는 CPU, 메모리, GPU, 저장장치 간에 데이터가 오가는 통신 회로망입니다.
메인보드 안에서 모든 정보가 흐르는 전자 도시의 고속도로죠.
CPU가 명령을 내리고, 메모리가 응답하며, GPU가 이미지를 계산할 때, 모든 정보는 버스를 타고 이동합니다.

 

메인보드의 버스 구조

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1. CPU 내부 버스와의 차이 - “두뇌의 신경망에서 도시의 도로망으로”

[컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] CPU #6 - 버스(Bus), 정보의 혈관

[하드웨어 뜯어보기] CPU #6 - 버스(Bus), 정보의 혈관

 

이전 글에서 버스는 CPU 내부에서 ALU·레지스터·캐시가 데이터를 주고받는 ‘내부 신경망’이었습니다. 두뇌 안에서 사고가 전달되는 회로였죠.

 

이번 글에서 다루는 버스는 CPU와 메모리, GPU, 저장장치, 입출력 장치가 연결되는 시스템 전체의 도로망입니다. CPU의 생각이 현실로 흘러나가는 길, “두뇌의 사고를 신체로 전달하는 전자 교통 시스템”이라 할 수 있습니다.

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2. 개념 - “신호가 흐르는 전자 도로망”

버스는 하드웨어 세계에서의 길(Road)입니다.
CPU가 연산 결과를 메모리에 저장하거나, GPU가 화면을 출력할 때, 모든 데이터는 버스를 따라 이동합니다.

버스는 단순한 전선이 아니라 데이터, 주소, 제어 신호를 운반하는 공용 회로망입니다.

구분	역할
데이터 버스(Data Bus)	실제 데이터 전송 (연산 결과, 메모리 값 등)
주소 버스(Address Bus)	목적지 주소를 지정
제어 버스(Control Bus)	읽기·쓰기·인터럽트 등의 명령 제어

 

이 세 가지 버스는 CPU 내부에도 존재하지만, 메인보드에서는 그 범위가 확장되어 CPU ↔ RAM ↔ GPU ↔ 저장장치 ↔ 입출력 포트를 모두 아우릅니다.

 

CPU 버스가 “두뇌의 신경”이라면, 메인보드 버스는 “온몸을 잇는 혈관과 도로망”입니다.

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3. 역사적 출발 - “한 줄의 길에서 다차선 고속도로로”

1970~80년대의 컴퓨터는 모든 장치가 하나의 공유 버스(Shared Bus)를 사용했습니다. 이 방식은 단순했지만, 한 버스에 너무 많은 신호가 몰리면 교통정체(Bottleneck)가 심각했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 1990년대 이후 버스가 역할별로 분리되고, 속도 또한 비약적으로 발전했습니다.

 

• ISA (Industry Standard Architecture) - 8 MHz의 저속 병렬 버스
• PCI (Peripheral Component Interconnect) - 병렬 전송 구조로 진화
• AGP (Accelerated Graphics Port) - GPU 전용 고속버스
• PCI Express (PCIe) - 오늘날의 표준, 초고속 직렬 전송

 

이제는 모든 장치가 자신만의 전용 차선을 가지는 멀티 레인 구조로 바뀌었습니다. 하나의 길을 나눠 쓰던 시대에서, 각 목적지로 향하는 전용 고속도로 체계가 된 것입니다.

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4. 버스의 구조 - “길 위의 차선과 신호등”

버스는 단순한 배선이 아니라 규칙이 있는 회로망입니다.
데이터가 언제 출발하고, 어디로 가며, 충돌 없이 도착하려면
정확한 타이밍과 신호 체계가 필요하죠.

 

1. 물리 계층(Physical Layer): 전선·커넥터·트레이스
2. 링크 계층(Link Layer): 데이터 전송 규칙·오류 검출
3. 트랜잭션 계층(Transaction Layer): 요청·응답 제어

 

이 세 계층은 마치 도로(물리 계층) - 신호등(링크 계층) - 교통경찰(트랜잭션 계층)이 협력하는 도시 교통처럼 작동합니다.

 

CPU가 SSD에서 데이터를 요청할 때, 주소 버스가 목적지를 지정하고, 제어 버스가 “읽기 신호(READ)”를 보내며, 데이터 버스가 결과를 실어 CPU로 되돌려 보냅니다.

 

버스는 단순한 통로가 아니라 “소통의 문법”입니다.

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5. FSB(Front Side Bus) - “두뇌와 기억을 잇는 주간도로”

2000년대 초반까지 PC 성능을 좌우한 핵심 요소는 FSB(Front Side Bus)였습니다.

FSB는 CPU와 메모리, 칩셋을 직접 연결하는 ‘메인 도로’로, 속도가 높을수록 시스템 전체가 빨라졌습니다. 예를 들어 Pentium 4의 800 MHz FSB는 CPU가 초당 약 6.4GB의 데이터를 주고받을 수 있게 했습니다.

하지만 CPU, 메모리, I/O 장치가 같은 버스를 공유하다 보니
버스 정체 현상이 발생했습니다. 그래서 이후 인텔은 QuickPath Interconnect(QPI), AMD는 HyperTransport를 개발하며, CPU와 칩셋 간을 잇는 전용 고속 링크를 마련했습니다. 이로써 버스는 단순한 연결선을 넘어, 병목 없는 교통 인프라로 진화했습니다.

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6. PCI Express - “차선이 늘어나는 초고속도로”

현재의 표준은 PCI Express (PCIe) 구조입니다.
PCIe는 여러 개의 레인(Lane)을 통해 데이터를 직렬로 주고받습니다.

슬롯	레인 수	주요 용도
x1	1개	사운드/LAN 카드
x4	4개	SSD/캡처 카드
x8	8개	고급 AI 가속기
x16	16개	GPU (그래픽 연산)

 

PCIe는 세대가 바뀔 때마다 전송 속도가 두 배로 늘었습니다.

• PCIe 3.0 → 8GT/s
• PCIe 4.0 → 16GT/s
• PCIe 5.0 → 32GT/s
• PCIe 6.0 → 64GT/s

이 폭발적인 진화는 도시의 도로 폭을 넓히는 일과 같습니다.
더 많은 차선이 확보될수록 교통량, 즉 데이터 전송량이 늘어납니다.

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7. 병목과 분산 - “정체를 없애는 교통 분리 정책”

버스 구조의 발전은 곧 병목과의 전쟁이었습니다.
한 버스를 여러 장치가 공유하면 속도가 떨어집니다.
이를 해결하기 위해 현대 시스템은 멀티 버스 구조를 도입했습니다.

 

• CPU ↔ 메모리: 고속 메모리 버스
• CPU ↔ GPU: 전용 PCIe 버스
• CPU ↔ 저장장치: DMI, NVMe 전용 채널

 

현대 메인보드는 여러 고속도로가 서로 얽힌 멀티 트래픽 시스템으로 작동합니다. CPU는 단일 버스가 아닌, 다중 통로를 오가는 신호의 관리자입니다.

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8. 사람의 사회로 비유하자면

버스는 인간 사회의 도로망과 같습니다. 도로 폭이 좁으면 교통이 막히듯, 버스 대역폭이 좁으면 연산 속도가 떨어집니다.

 

• 데이터 버스: 대화의 내용
• 주소 버스: 목적지 지도
• 제어 버스: 신호등과 규칙
• FSB: 도시의 주간도로
• PCIe: 초고속 고속도로망

 

도시의 교통이 질서 있게 흐를 때 사람들이 원활히 소통하듯,
CPU·RAM·GPU·SSD도 버스를 통해 질서 있게 사고를 교환합니다.

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9. 기술 심화 - “클럭과 버스 타이밍의 미세한 조율”

버스는 단순한 회로가 아니라 시간의 예술입니다. 클럭 신호에 맞춰 수억 개의 데이터가 동시에 오가야 하므로 각 신호선의 길이와 타이밍이 미세하게 조정됩니다.

 

신호 간 타이밍이 어긋나면 지터(Jitter)가 발생해 데이터 오류나 시스템 다운으로 이어질 수 있습니다. 그래서 버스 설계는 단순 배선이 아닌 피코초 단위의 시간 공학(Time Engineering)입니다.

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10. 철학적 통찰 - “길이 곧 문명이다”

버스가 없는 컴퓨터는 섬입니다. CPU는 생각할 수 있어도, 그 생각을 전할 길이 없기 때문이죠. 버스는 보이지 않지만, 그 위를 달리는 데이터가 세상을 움직입니다.

 

결국 컴퓨터의 진짜 속도는 “얼마나 빠른 두뇌를 가졌는가”보다 “얼마나 효율적인 길을 설계했는가”에 달려 있습니다.

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11. 요약

버스는 CPU·RAM·GPU·저장장치 간 데이터의 고속도로입니다.
데이터·주소·제어 버스가 협력하며, FSB와 PCIe로 진화한 이 도로망은 오늘날 컴퓨터 성능의 근본을 결정짓는 전자 문명의 교통 체계입니다.

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12. 시리즈 마무리 - “모든 부품이 대화하는 도시의 완성”

이로써 "메인보드의 세계"를 마무리합니다.
칩셋이 교통관제소로서 흐름을 통제하고, 소켓과 슬롯이 부품의 자리를 마련했으며, VRM이 전력을 정밀하게 공급했습니다. 그리고 이번 편의 버스 구조는 이 모든 부품을 하나로 연결하는 도시의 도로망이었습니다.

 

메인보드는 단순한 회로판이 아닙니다. 그 위에는 CPU라는 두뇌, GPU라는 시각 피질, 메모리라는 기억 공간, 저장장치라는 기록 보관소가 공존합니다.

 

모든 부품은 이 보드 위에서, 전류와 신호를 통해 끊임없이 대화합니다. 이 도시가 완성되었기에 비로소 컴퓨터는 “생각하고, 저장하고, 표현할 수 있는 존재”가 된 것입니다.

 

다음 3부에서는 이 거대한 도시 속에서 생각과 기억을 담당하는 메모리(RAM)의 세계로 들어갑니다. 두뇌의 단기 기억처럼, 데이터가 머물렀다가 사라지는 그 찰나의 공간을 탐험해 봅시다.

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13. 다음 편 예고

다음 글에서는 메모리의 기본 구조(RAM)로 갑니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 메모리 #26 - 메모리의 기본 구조 (RAM)

[하드웨어 뜯어보기] 메모리 #26 - 메모리의 기본 구조 (RAM)