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컴퓨터 과학/CPU

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[하드웨어 뜯어보기] CPU #20 - CPU의 미래, 양자와 뉴로모픽의 시대 “트랜지스터를 넘어, 진짜 사고하는 두뇌로”핵심요약CPU는 더 이상 단순한 계산기가 아니다.미세공정의 한계에 다다른 지금, 새로운 두 방향의 진화가 동시에 일어나고 있다.1) 양자 컴퓨팅(Quantum Computing) - 물리 법칙의 경계를 이용해 ‘초병렬적 사고’를 실현하는 두뇌2) 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing) - 인간의 신경망 구조를 닮은 ‘학습형 두뇌’이들은 기존 CPU의 ‘논리적 사고’를 넘어, 직관·확률·학습으로 나아가는 차세대 두뇌의 형태다.1. 개념 설명 - “CPU의 한계, 그리고 새로운 두뇌의 탄생”트랜지스터 미세화는 이제 물리적 한계에 다다랐다.5nm 이하로 내려가면 전자들이 벽을 통과하는 양자 터널링(Quantum Tunneling) 현상이 발생해회로..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #19 - 제조 공정과 나노미터, 두뇌를 만드는 손 “생각을 조각하는 손끝의 기술 - 나노미터 공정의 세계”핵심요약CPU의 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소 중 하나는 제조 공정(Process Node) 입니다.이 공정의 단위는 ‘나노미터(nm)’로 표시되며, 이는 트랜지스터 크기와 배선 간격, 즉 두뇌의 세포 밀도를 의미합니다.공정이 미세해질수록 같은 면적 안에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있고,더 적은 전력으로 더 빠른 연산을 수행할 수 있습니다. 1. 개념 설명 - “트랜지스터는 두뇌의 뉴런이다”CPU 내부에는 수십억 개의 트랜지스터(Transistor) 가 있습니다.트랜지스터는 전기의 흐름을 제어하는 디지털 스위치, 즉 두뇌의 신경세포입니다.이 세포들이 얼마나 촘촘하게, 정밀하게 배치되어 있는지가 CPU의 성능·발열·전력 효율을 결정합니다.제조..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #18 - 전력 관리와 발열, 두뇌의 체온 조절 “생각이 많을수록 열이 오른다 - 두뇌의 에너지 균형을 잡는 기술”핵심요약CPU는 생각할수록 뜨거워진다.명령을 처리하는 데 전기가 쓰이고, 그 전기의 흐름이 열(Heat)로 바뀌기 때문이다.따라서 현대 CPU의 핵심 기술은 ‘얼마나 빠르게 생각하느냐’보다 ‘얼마나 효율적으로 생각하느냐’에 달려 있다.이를 위해 CPU는 전력 관리, 클럭 조절, 발열 제어라는 세 가지 생리적 시스템을 내장하고 있다. 1. 개념 설명 - “전력은 두뇌의 연료다”CPU는 생각(연산)을 하기 위해 끊임없이 전자를 움직인다.이 전자의 흐름이 많을수록 연산 속도는 빨라지지만,그만큼 전력 소모(Power Consumption)와 발열이 급격히 증가한다.이때 CPU는 전압(Voltage) 과 클럭(Clock)의 균형을 맞추며 ‘두뇌의 ..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #17 - GPU와 CPU의 차이, 다른 방식으로 생각하는 또 다른 두뇌 “깊게 생각하는 두뇌 vs 넓게 생각하는 두뇌” - 두 지성의 공존핵심요약CPU는 한 번에 하나의 복잡한 일을 정확히 수행하는 두뇌,GPU는 수천 개의 단순한 일을 동시에 수행하는 두뇌입니다.즉, CPU는 ‘사색형 두뇌’, GPU는 ‘집단형 두뇌’라 할 수 있습니다.이 두 구조는 서로 대립하지 않고, 오늘날 인공지능과 고성능 연산에서 협력적인 사고 구조를 이룹니다. 1. 개념 설명 - “CPU는 사고, GPU는 실행”CPU와 GPU 모두 연산 장치이지만, 그 사고 방식이 완전히 다릅니다.구분CPUGPU구분CPUGPU목적다양한 연산과 제어대량 데이터 병렬 처리구조복잡한 제어 유닛, 적은 코어단순한 제어, 수천 개의 코어강점논리적 사고, 순차적 연산반복적 계산, 병렬 데이터 연산비유전략가 (Thinker)실..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #16 - SIMD / 벡터 연산, 한 번에 여러 생각을 하는 두뇌 “한 번의 명령으로 여러 데이터를 동시에 계산하는 병렬 두뇌”핵심요약SIMD(Single Instruction, Multiple Data)는 CPU가 하나의 명령으로 여러 데이터를 동시에 처리하는 기술입니다.즉, 같은 생각을 여러 번 반복할 필요 없이 “한 번에 여러 생각을 하는 두뇌”입니다.이 구조는 영상 처리, 인공지능, 과학 계산 등 대량 데이터 연산의 핵심이 되었고,오늘날의 CPU·GPU·AI 칩의 병렬 처리 근간을 형성했습니다. 1. 개념 설명 - “같은 일을 여러 번 반복하지 않는다”기존의 CPU는 한 번에 하나의 데이터만 처리했습니다.예를 들어, 배열의 각 요소를 더하려면 이렇게 순차적으로 계산했죠:for (i = 0; i 하지만 SIMD 구조에서는, CPU가 다음처럼 한 번의 명령으로 4개..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #15 - 파이프라인 해저드 & 분기 미스, 생각의 충돌을 다스리는 기술 완벽한 흐름 속에서도, 사고는 일어난다 - CPU의 스트레스 관리 기술핵심요약파이프라인 해저드(Pipeline Hazard)란 CPU 내부의 명령 실행 단계들이 서로 충돌해 흐름이 막히는 현상을 말합니다.그중에서도 분기 예측 실패(Branch Miss) 는 가장 흔한 병목의 원인입니다.즉, CPU가 ‘미래를 잘못 예측해서 엉뚱한 길로 들어선 상태’입니다.현대 CPU는 이 사고를 최소화하기 위해, 버블(대기), 재정렬, 예측 복원 같은 기술로 스트레스를 관리합니다. 1. 개념 설명 - “생각의 교통사고, 파이프라인 해저드”CPU의 파이프라인은 여러 단계의 명령을 겹쳐 처리하는 고속 생산 라인입니다.그런데 이 라인 위에서 명령 간 의존성이나 순서 문제가 생기면,다음 명령이 멈추거나 되돌아가야 하는 **‘교통..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #14 - 마이크로아키텍처(Microarchitecture), 두뇌의 내부 설계도 같은 언어라도, 설계에 따라 성격이 달라지는 두뇌의 구조핵심요약마이크로아키텍처(Microarchitecture)는 CPU가 동일한 명령어 집합(ISA)을 실제로 구현하는 내부 설계 방식입니다.즉, ISA가 ‘언어’라면, 마이크로아키텍처는 그 언어를 사용하는 두뇌의 사고 회로입니다.같은 언어(x86)를 쓰더라도 인텔과 AMD의 CPU가 다르게 동작하는 이유, ARM을 기반으로 한 Apple M3가 특별한 이유 - 모두 마이크로아키텍처의 차이 때문입니다. 1. 개념 설명 - “언어를 실행하는 두뇌의 구조”ISA가 “무엇을 할 수 있는가”를 정의한다면, 마이크로아키텍처는 “그 일을 어떻게 처리할 것인가”를 결정합니다.예를 들어, 두 사람에게 같은 문제(ISA)를 주어도, 한 사람은 빠르게 계산하고, 다른 사람..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #13 - 명령어 집합 구조(ISA), 언어를 이해하는 두뇌 CPU가 이해하는 언어, 세상을 움직이는 코드의 문법핵심요약명령어 집합 구조(ISA, Instruction Set Architecture)는 CPU가 이해하고 실행할 수 있는 ‘언어의 규칙’입니다.즉, 하드웨어가 소프트웨어의 말을 알아듣게 해주는 통역자이자 문법 체계입니다.같은 “명령”이라도 CPU마다 말이 다르기 때문에, ISA는 “두뇌의 언어 체계”라 할 수 있습니다. 1. 개념 설명 - “CPU도 언어를 배운다”사람이 한국어·영어·일본어를 구분하듯, CPU도 자신이 이해할 수 있는 언어를 갖고 있습니다.그 언어의 이름이 바로 ISA(Instruction Set Architecture)입니다.ISA는 단순한 명령어 목록이 아니라,“어떤 형식의 명령을, 어떤 레지스터에, 어떤 방식으로 실행할 것인가”를..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #12 - 명령 순서 재배치(Out-of-Order Execution), 순서보다 효율을 선택하는 두뇌 “순서를 지키는 것보다 일을 끝내는 게 먼저다” - 효율을 우선하는 CPU의 판단력핵심요약명령 순서 재배치(Out-of-Order Execution, OOOE)은 CPU가 프로그램의 명령 순서 대신 효율적인 실행 순서를 스스로 재조정하는 기술입니다.이는 마치 사람이 “먼저 할 수 있는 일부터 처리하는 유연한 두뇌”처럼 작동하는 원리입니다.슈퍼스칼라가 여러 손으로 동시에 일했다면, 명령 순서 재배치(Out-of-Order Execution)는 “그 손들이 가장 효율적인 순서로 움직이도록 지휘하는 기술”입니다. 1. 개념 설명 - “순서대로만 일하면 느려진다”전통적인 CPU는 명령어를 메모리에 기록된 순서대로 실행(In-Order Execution) 했습니다.이 방식은 단순하지만, 하나의 명령이 데이터나 ..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #11 - 슈퍼스칼라(Superscalar), 여러 손으로 동시에 일하는 두뇌 여러 개의 명령을 동시에 처리하는 CPU의 ‘멀티태스킹 본능’핵심요약슈퍼스칼라(Superscalar)는 CPU가 한 클럭에 여러 개의 명령을 병렬로 실행하도록 설계된 구조입니다.즉, 한 손이 아닌 여러 손으로 동시에 일을 처리하는 두뇌와 같습니다.파이프라인이 ‘작업을 나누는 기술’이었다면, 슈퍼스칼라는 그 작업들을 동시에 여러 줄로 처리하는 기술입니다.1. 개념 설명 - “CPU는 두 개 이상의 손으로 일한다”파이프라인(Pipeline)은 CPU가 명령을 여러 단계로 나누어 순차적으로 겹쳐 실행하는 기술이었습니다.그런데 이 구조에서도 한 번에 하나의 명령 흐름만 처리할 수 있었습니다.슈퍼스칼라 구조는 이 한계를 뛰어넘습니다.CPU 안에 여러 개의 명령어 실행 유닛(Execution Unit) - 즉, A..

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