[하드웨어 뜯어보기] 인터페이스/통합편 #39 - 버스와 인터페이스 총정리

부품 간 신호가 오가는 신경망

CPU·메모리·GPU·스토리지·입출력 장치를 하나의 유기체로 엮는 시스템의 ‘데이터 혈관’

핵심요약
버스(Bus)는 모든 부품이 데이터를 주고받는 통신로(신경망)이다.
CPU-RAM-GPU-SSD는 각기 다른 버스를 통해 연결된다.
DMA·인터럽트는 CPU의 부담을 줄여 시스템 효율을 극대화한다.
PCIe·QPI·Infinity Fabric 같은 현대 버스는 고속 직렬 구조로 진화했다.
버스를 이해하면 ‘시스템 전체 성능’이 왜 그렇게 나오지 설명할 수 있다.

 

버스와 인터페이스 총정리

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1. 버스(Bus)란 무엇인가?

핵심 문장 : 버스는 모든 부품이 데이터를 주고받는 ‘신경다발’이며, 시스템 전체의 혈관이다.

 

CPU가 아무리 빠르더라도 메모리나 저장장치, GPU와 통신할 수 없다면 컴퓨터는 단 한 줄의 명령도 실행할 수 없습니다. 이때 부품과 부품을 연결하는 통신 경로가 바로 버스(Bus)입니다.

 

버스는 단순 케이블이 아니라 아래의 항목들을 모두 포함하는 전체 프로토콜입니다.

• 전기 신호의 규격
• 전송 방식
• 동기화 방식
• 패킷 구조
• 오류 검출 방식

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2. 버스의 역할 - 컴퓨터의 데이터 신경망

버스는 크게 세 가지를 담당합니다.

2-1. 데이터 전송(Data Bus)

명령어·데이터·픽셀 정보 등 실제 정보가 지나가는 통로

2-2. 주소 전달(Address Bus)

CPU가 “어디를 읽고 쓰는지” 알려주는 주소 정보

2-3. 제어 신호(Control Bus)

읽기/쓰기, 인터럽트, 클럭 신호 등 시스템 조율

 

Data Bus, Address Bus, Control Bus이 세 가지가 함께 움직이며 컴퓨터라는 거대한 조직이 하나의 생물처럼 움직이도록 만듭니다.

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3. 버스의 진화 - 병렬 버스 → 고속 직렬 버스

3-1. 예전: 병렬 버스(Parallel Bus)

과거 컴퓨터는 데이터 32비트·64비트를 한 번에 보내는 병렬 방식을 사용했습니다.

 

예:

• Front-Side Bus(FSB)
• AGP
• PCI(구세대)
• IDE(패럴렐 ATA)

하지만 속도가 빨라질수록

• 타이밍 맞추기 어려워지고
• 간섭 증가
• 신호 무결성 문제 발생

이 때문에 병렬 구조는 한계에 도달합니다.

3-2. 현대: 고속 직렬 버스(Serial Bus)

이제는 단 1~4개의 렌(선로)에 고속 직렬 신호를 실어 보내는 방식이 표준입니다.

 

예:

• PCIe
• Thunderbolt
• USB
• SATA

직렬 방식은 신호 품질·속도·대역폭 확장성에서 병렬보다 월등히 유리합니다.

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4. 주요 버스 깊이 있게 살펴보기

4-1. 메모리 버스 - CPU의 가장 중요한 통신로

CPU ↔ RAM 사이의 버스는 시스템 성능을 결정하는 핵심입니다.

 

특징

• 넓은 대역폭
• 낮은 지연시간
• 동기식 클럭
• 채널 구성(싱글/듀얼/쿼드 채널)

DDR3 → DDR4 → DDR5로 갈수록 대역폭이 증가하고 메모리 컨트롤러는 CPU 내부로 통합되었습니다.

4-2. PCI Express(PCIe) - 확장장치의 고속 철도

SSD·GPU·랜카드·캡처보드 모두 PCIe를 사용합니다.

 

구조

• 고속 직렬 링크
• x1 / x4 / x8 / x16 레인 구성
• 버전별 속도
  • PCIe 3.0 x16 → ~16GB/s
  • PCIe 4.0 x16 → ~32GB/s
  • PCIe 5.0 x16 → ~64GB/s
  • PCIe 6.0 x16 → ~128GB/s

GPU 성능은 PCIe 대역폭과 직결됩니다.

4-3. CPU 간 통신 버스 - QPI / Infinity Fabric

멀티 소켓 서버나 칩렛 구조의 CPU는 CPU끼리도 고속으로 통신해야 합니다.

• Intel: QPI → UPI
• AMD: Infinity Fabric(IF)
  • 코어 간 통신
  • 메모리 컨트롤러 연결
  • 칩렛 간 데이터 경로

특히 AMD Zen 구조는 칩렛(CCD)과 I/O 다이를 Infinity Fabric으로 묶어 높은 확장성과 소비전력 최적화를 이루고 있습니다.

4-4. 스토리지 버스 - SATA → NVMe

SATA(변형된 병렬 구조) → NVMe(직렬 구조)의 전환은 스토리지의 세대교체를 상징합니다.

• SATA 600MB/s → NVMe 7,000MB/s 이상
• 큐 기반 접근
• PCIe 레인 직결

4-5. USB - 다목적 범용 인터페이스

USB는 입출력 장치를 위한 범용 버스입니다. 최근 USB4·Thunderbolt4도 PCIe 터널링을 지원합니다.

 

속도

• USB 3.2 Gen2x2 → 20 Gbps
• USB4 → 40 Gbps
• Thunderbolt 5 → 80/120 Gbps

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5. DMA(Direct Memory Access) - CPU 부담을 줄이는 비밀 기술

핵심 문장: DMA는 장치가 CPU를 거치지 않고 직접 메모리에 읽기·쓰기 하는 기술이다.

 

예:

• SSD가 데이터 전송
• GPU가 텍스처 로드
• 네트워크 카드가 패킷 저장

이점

• CPU 개입 감소 → 성능 향상
• 지연시간 감소
• 고속 장치 활용 가능

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6. 인터럽트(Interrupt) - CPU의 알림 시스템

인터럽트는 장치가 CPU에게 “지금 처리할 일이 있음!”을 알리는 방식입니다.

 

종류

• 하드웨어 인터럽트
• 소프트웨어 인터럽트
• MSI/MSI-X(PCIe 장치용 현대 방식)

인터럽트는 컴퓨터의 이벤트 기반 사고방식의 중심입니다.

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7. 비유하자면 - “몸 전체를 연결하는 신경다발”

• 메모리 버스 = 뇌 ↔ 기억을 잇는 신경
• PCIe = 근육(그래픽·연산)으로 향하는 굵은 신경
• USB = 손과 발
• DMA = 반사 신경(자동 처리)
• 인터럽트 = 외부 자극에 대한 신호

버스는 온몸을 연결하는 신경계처럼 컴퓨터를 하나의 유기체로 만든다.

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8. 버스의 역사 - 속도에서 구조로

과거에는 단순히 “더 빠른 버스”가 목표였지만

오늘날에는 아래와 같은 항목들이 더 중요합니다.

• 지연시간
• 동시성
• 신호 무결성
• 병렬 처리
• 대역폭 확장성

그래서 QPI, Infinity Fabric, PCIe, NVMe처럼 “데이터의 질서 있는 흐름”이 미래 버스 아키텍처의 중심입니다.

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9. 오늘날 활용 - 고성능 컴퓨팅·AI·클라우드

버스 구조는 다음 환경에서 중요성이 폭발적으로 증가합니다.

• GPU 클러스터(PCIe 5.0/6.0 필수)
• NVMe-oF 스토리지 네트워크
• AI 훈련 데이터 로딩
• SMP/NUMA 서버 구조
• 초저지연 트레이딩 시스템

버스 구조 하나만 바뀌어도 서버의 처리량이 2~4배까지 증가할 수 있습니다.

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10. 요약

• 버스는 컴퓨터 전체를 연결하는 데이터 신경망
• 병렬 → 직렬 구조로 진화
• 메모리 버스·PCIe·QPI/IF·USB가 핵심
• DMA·인터럽트 구조가 CPU 부담을 줄임
• 현대 시스템 성능은 버스 품질에 크게 의존함

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11. 다음 편 예고

다음 글에서는 USB, HDMI, SATA 등 외부 세계와 연결되는 인터페이스의 전체 구조를 파헤칩니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학/인터페이스∙통합편] - [하드웨어 뜯어보기] 인터페이스/통합편 #40 - 입출력장치의 통신 구조

[하드웨어 뜯어보기] 인터페이스/통합편 #40 - 입출력장치의 통신 구조