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컴퓨터 과학

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[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..
[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...

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