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컴퓨터 과학/CPU

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[하드웨어 뜯어보기] CPU #10 - 분기 예측(Branch Prediction), 미래를 내다보는 두뇌 CPU는 어떻게 미래를 예측하고 멈춤 없는 사고 흐름을 유지할까?핵심요약CPU의 분기 예측(Branch Prediction)은 프로그램이 다음에 실행할 명령을 ‘미리 짐작’하는 기술입니다.이 덕분에 CPU는 “생각이 끊기지 않는 두뇌”처럼 작동하며, 예측이 맞으면 놀라운 속도로 연산을 이어갑니다.반대로 틀리면 ‘되감기(Flush)’가 필요해 성능 저하의 원인이 되기도 합니다. 1. 개념 설명 - “CPU도 직감을 사용한다”분기 예측은 CPU가 코드의 흐름 중 조건문(if)을 만났을 때, 어느 쪽으로 갈지를 미리 판단하는 과정입니다.if (x > 0) { // ...} else { // ...} 위와 같은 코드에서 CPU는 x > 0이 참일지 거짓일지를 미리 예측해야 다음 명령을 준비할 수 있습..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #9 - 파이프라인(Pipeline), 생각의 흐름을 분할하다 한 번에 하나씩이 아니라, 동시에 여러 생각을 흐르게 하는 CPU의 두뇌 공정핵심요약파이프라인(Pipeline) 은 CPU가 명령을 ‘연속적이면서도 동시에’ 실행하는 기술입니다.명령어를 여러 단계로 쪼개어, 각 단계가 동시에 일하도록 만들어CPU가 “한 번에 여러 생각을 이어서 하는 두뇌” 처럼 작동하게 합니다. 1. 파이프라인이란 무엇인가?CPU가 한 번에 한 명령만 처리한다면,다음 명령은 그전 명령이 끝날 때까지 기다려야 합니다.이건 마치 사람이 한 문장을 다 쓰기 전엔 다음 문장을 생각하지 못하는 것과 같습니다. 파이프라인은 이 문제를 해결하기 위한 방법입니다.명령어를 Fetch → Decode → Execute → Memory → Write Back여러 단계로 나누고, 각 단계가 동시에 진행되게 ..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #8 - 멀티코어(Multi-core), 생각을 나누는 두 개의 뇌 하나의 두뇌를 넘어, 협업하는 여러 뇌의 시대핵심요약멀티코어(Multi-core) CPU는 한 개의 칩 안에 여러 개의 ‘두뇌(Core)’가 들어 있는 구조입니다.각 코어는 독립적으로 연산을 수행하면서도, 공유 캐시와 버스를 통해 서로 협업합니다.즉, CPU가 ‘생각을 나누는 두 번째 두뇌’ 를 갖게 된 것입니다.1. 멀티코어란 무엇인가?기존의 CPU는 하나의 코어가 모든 명령을 순차적으로 처리했습니다.하지만 연산량이 폭발적으로 늘어나면서, “한 뇌(CPU)로는 더 이상 감당할 수 없다” 는 한계에 부딪쳤죠. 그래서 등장한 것이 멀티코어(Multi-core) -한 칩 안에 여러 개의 코어를 집어넣어 동시에 연산을 수행하는 구조입니다.각 코어는 독립된 연산 장치이지만, 하나의 작업을 여러 부분으로 나누어 ..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #7 - 클럭(Clock), 두뇌의 심장박동 CPU의 속도는 어떻게 정해질까? - 전자 두뇌의 맥박, 클럭의 세계를 파헤쳐보기핵심요약클럭(Clock) 은 CPU가 작동하는 리듬, 즉 전자 두뇌의 심장박동입니다.1초에 몇 번 명령을 처리할 수 있는지를 나타내며, 단위는 Hz(헤르츠)로 표현됩니다.클럭이 높을수록 더 빠르게 생각하지만, 열과 전력 소모라는 대가도 따릅니다.1. 클럭이란 무엇인가?CPU는 ‘언제 계산을 시작하고 끝낼지’를 스스로 판단하지 않습니다.모든 회로의 타이밍은 클럭 신호(Clock Signal) 에 의해 동기화됩니다.이 신호는 마치 메트로놈처럼 일정한 주기로 “딸깍딸깍” 박자를 세며,CPU 내부의 모든 트랜지스터가 그 리듬에 맞춰 일제히 동작합니다.클럭이 한 번 뛰면 명령어가 한 단계 실행되고, 모든 연산은 이 리듬 위에서 조화롭..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #6 - 버스(Bus), 생각이 흐르는 길 CPU 안의 신경망, 정보가 흐르는 길을 따라가보기핵심요약버스(Bus)는 CPU 내부에서 데이터·주소·제어 신호를 전달하는 회로망입니다. ALU, 제어장치, 레지스터가 서로 협력하기 위해 버스를 통해 대화합니다.버스는 단순한 전선이 아니라, 두뇌 속 신경로와 혈관을 동시에 담당하는 정보의 순환로입니다. 1. 버스란 무엇인가? - "CPU의 정보 고속도로"CPU 내부에는 수많은 미세 회로가 얽혀 있습니다.그 안에서 ALU(연산 장치), 레지스터(임시 기억장소), 제어장치(명령 해석기)는 각자의 역할을 수행하지만, 서로 완전히 분리되어 있지 않습니다. 이들이 협력하려면 정보를 주고받는 통로, 버스가 필요합니다. 버스는 데이터가 흐르는 길입니다. CPU가 메모리에서 값을 읽어올 때, 그 주소와 데이터, 제어 ..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #5 - 캐시(Cache), 기억이 빠른 이유 두뇌의 반사신경처럼 작동하는 CPU의 기억력 가속 장치, 캐시를 파헤쳐보기핵심요약캐시(Cache)는 CPU의 기억력 가속 장치입니다.레지스터보다 느리지만 메모리보다 훨씬 빠른 중간 기억 공간입니다. CPU가 자주 사용하는 데이터를 미리 저장해 두었다가 ‘생각보다 빠르게’ 꺼내 쓰게 해 줍니다. 1. 캐시란 무엇인가?CPU는 초당 수십억 번의 연산을 수행하지만,CPU가 참조해야 할 데이터는 대부분 훨씬 느린 메모리(RAM) 안에 있습니다.즉, CPU는 머리 회전은 빠르지만, 기억을 찾으러 가는 속도가 너무 느린 셈이죠.이 속도 차이를 메우기 위해 생긴 것이 바로 캐시 메모리(Cache Memory)입니다.캐시는 CPU와 메모리 사이에서“가장 자주 쓰는 데이터를 잠시 저장하는 고속 완충지대” 역할을 합니다...
[하드웨어 뜯어보기] CPU #4 - 레지스터(Register), 순간의 기억 순간의 기억으로 세상을 계산하다 - CPU 속 단기기억, 레지스터를 해부해보기핵심요약레지스터(Register) 는 CPU 내부에서 데이터를 잠시 저장하는 초고속 임시 기억장치입니다.ALU가 계산하고, 제어장치가 지휘하는 동안레지스터는 “지금 필요한 데이터”를 손에 쥐고 전달합니다.CPU의 빠른 판단력은 결국 이 눈 깜짝할 사이의 기억력 덕분입니다. 1. 레지스터란 무엇인가?레지스터(Register)는 CPU 내부에서 가장 빠르게 접근할 수 있는 초고속 저장공간입니다.RAM(메모리)보다 용량은 훨씬 작지만,CPU 칩 안쪽 깊숙한 곳에 내장되어 있어 데이터를 불러오거나 저장하는 데 걸리는 시간이 극도로 짧습니다.보통 메모리에 접근하는 데 수십~수백 나노초(nanosecond)가 걸리지만,레지스터는 단 몇 클..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #3 - ALU, 생각하는 계산기 계산을 넘어 판단까지, CPU의 논리 엔진 ALU를 해부해 보기핵심요약ALU는 CPU의 중심부에서 모든 수학적·논리적 연산을 수행하는 계산 기관입니다.제어장치가 내린 명령을 실제로 실행하며, CPU가 ‘생각한다’는 개념의 본질은 바로 이 ALU의 작동에 있습니다. 1. ALU란 무엇인가?ALU(Arithmetic Logic Unit)는 말 그대로 산술(Arithmetic)과 논리(Logic) 연산을 담당하는 장치입니다.제어장치(Control Unit)가 "무엇을 할지"를 결정하면, ALU는 "그 일을 실제로 수행"합니다. 예를 들어,ADD R1, R2 → 두 값을 더함CMP R1, R2 → 두 값을 비교함AND R1, R2 → 비트 단위 논리곱 수행이처럼 ALU는 컴퓨터의 '행동’을 담당하는 실행 엔진입..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #2 - 제어장치(Control Unit), 명령을 내리는 두뇌의 사령관 CPU의 모든 행동을 지휘하는 두뇌의 작전본부, 제어장치를 파헤쳐보기핵심요약제어장치는 CPU 내부에서 모든 연산의 순서를 지휘하는 중앙 통제실입니다.프로그램 명령어를 해석하고, ALU와 레지스터를 움직여컴퓨터가 “무엇을 해야 하는가”를 결정하게 합니다.CPU의 진정한 두뇌는 바로 이 제어장치(Control Unit)입니다. 1. 제어장치란 무엇인가?제어장치(Control Unit, CU)는 CPU 내부의 지휘자이자 명령어 통역관입니다.메모리에서 명령어를 가져오고(fetch), 해석(decode)하고, 실행(execute)하도록CPU의 모든 부품에 신호를 보내는 역할을 담당합니다.즉, ALU가 계산을 “수행”한다면, 제어장치는 계산을 “명령”하고 “조율”합니다.핵심 문장 : 제어장치는 CPU의 나침반이자..
[하드웨어 뜯어보기] CPU #1 - CPU는 어떻게 생겼을까? 컴퓨터의 두뇌(CPU)를 사람의 언어로 풀어보기핵심요약CPU는 컴퓨터의 두뇌입니다.명령을 해석하고, 계산하고, 기억하는 세 가지 핵심 요소(제어장치·ALU·레지스터)가 조화를 이루며 인간의 사고처럼 작동합니다 [3].이 글에서는 CPU의 구조와 사고 과정을 사람의 시선으로 풀어봅니다. 1. CPU, 컴퓨터의 두뇌CPU는 Central Processing Unit, 말 그대로 중앙에서 모든 연산과 판단을 처리하는 두뇌입니다 [3].사람의 뇌가 감각 정보를 받아 판단하듯, CPU도 프로그램으로부터 명령을 받아 처리합니다.그 안에는 세 가지 핵심 부품이 있습니다.제어장치(Control Unit): 명령을 해석하고, 어떤 순서로 일을 수행할지 지시합니다 [4].ALU(산술논리연산장치): 숫자를 더하고 빼며, 두..

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