프로세서 이해하기: 아기부터 야수까지

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기본

트랜지스터는 현대 계산의 기본적인 구성 요소입니다.
프로세서(CPU)는 실리콘 칩 위에 배치된 수십억 개의 작은 트랜지스터에 불과합니다.

• 트랜지스터를 스위치라고 생각하면, 전자 흐름을 켜기(on) 또는 끄기(off) 할 수 있습니다. 마치 전등 스위치가 전구를 제어하는 것과 같습니다.
• 1(켜기)과 0(끄기)으로 전환함으로써, 트랜지스터는 모든 컴퓨터가 사용하는 이진 데이터를 나타냅니다.

수십억 개의 트랜지스터가 결합되면 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다. 장치에서 수행하는 모든 작업은 궁극적으로 0과 1의 긴 문자열로 축소되고, CPU에 의해 처리된 후 인간이 읽을 수 있는 출력으로 다시 변환됩니다.

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CPU – 컴퓨터의 두뇌

CPU(중앙 처리 장치)는 명령을 실행하고, 어떤 작업이 어떤 순서로 실행될지 결정하며, 메모리·스토리지·기타 하드웨어 간의 통신을 조정합니다.

기본 CPU 사이클

모든 명령은 Fetch → Decode → Execute → Writeback 사이클(일명 클럭)을 따릅니다.

간단한 비유

게임을 하면서 상대에게 총알을 쏘는 상황을 생각해 보세요:

1. Fetch – “총알 발사”라는 행동이 CPU에 전달됩니다.
2. Decode – CPU가 행동을 이진수로 변환해 상대의 체력, 위치 등을 계산할 수 있게 합니다.
3. Execute – CPU가 계산을 수행합니다(총알 속도, 거리, 데미지 등).
4. Writeback – 게임이 결과(“헤드샷, 100 % 데미지”)를 받아 화면을 업데이트합니다.

이 사이클이 지속적으로 반복되면서 클럭이 생성됩니다.

• 클럭 속도 = CPU가 각 사이클을 완료하는 속도.
• 1 GHz = 1초당 10억 사이클.
• GHz가 높을수록 일반적으로 코어당 성능이 높아지지만, 이것이 전부는 아닙니다.

클럭 속도 이상의 성능 요인

코어와 스레드

• 코어 = 독립적인 처리 유닛(“뇌”).
• 스레드 = 코어가 동시에 여러 작업을 수행하도록 하는 논리적 경로.

예시:

• 4코어, 8스레드 → 각 코어가 2개의 스레드를 처리할 수 있어 8개의 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보입니다.

참고: 코어 수가 많다고 해서 자동으로 성능이 빨라지는 것은 아닙니다; 작업이 병렬화 가능해야 하고, 운영체제가 스레드를 효율적으로 스케줄링해야 합니다.

TDP(열 설계 전력)

• 와트(W) 단위로 측정됩니다.
• 낮은 TDP → 더 시원하고 전력 효율이 높으며(노트북에 이상적).
• 높은 TDP → 높은 성능을 제공하지만 강력한 냉각이 필요합니다.

트랜지스터 크기 – “3 nm”, “2 nm” 등

제조업체는 더 작은 공정 노드(예: 3 nm, 2 nm)를 광고하여 더 작은 트랜지스터임을 나타냅니다.

• 왜 트랜지스터를 축소할까?

  • 같은 실리콘 면적에 더 많은 트랜지스터를 배치할 수 → 성능 향상 및 전력 소비 감소.

• 왜 칩을 그냥 크게 만들지 않을까?

  1. 비용 – 큰 칩은 재료와 에너지가 더 많이 필요하고, 웨이퍼당 생산되는 칩 수가 적어 가격이 상승합니다.
  2. 열 – 큰 칩은 더 많은 열을 발생시켜 냉각이 복잡해집니다.
  3. 물리적 한계 – 휴대폰, 노트북, 서버 등 장치의 공간이 제한되어 있어 큰 칩은 얇은 디자인에 맞지 않으며 다른 부품과 연결하기도 어렵습니다.

따라서 업계는 점점 더 작은 트랜지스터 구조를 추구합니다.

축소의 한계

트랜지스터가 너무 작아지면 전자 누설이 증가하여 전력 손실 및 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 엔지니어가 서브 나노미터 공정으로 나아가면서 관리해야 하는 근본적인 물리적 한계입니다.

📚 정리된 마크다운 – “CPU & Memory Hierarchy”

트랜지스터가 전자를 멈출 수 없는 이유

“너무 작은 트랜지스터는 전자가 흐르는 것을 막을 수 없을 것이다(기업들은 이미 탄소와 같은 다른 소재를 탐색하고 있다).”

레지스터 – 즉시 데이터 보유자

┌──────────────────────────────────┐
│  Hold immediate data to          │
│  perform the action            │
└──────────────────────────────────┘

비유 – 총알 게임 예시
레지스터는 플레이어가 지금 읽고 있는 책을 손에 들고 있는 것과 같다 – 다음 명령에 필요한 초긴급 데이터.

제어 장치 – 두뇌

┌──────────────────────────────────┐
│         CONTROL UNIT 🧠           │
│  It's the brain, the core which   │
│  takes the decision               │
└──────────────────────────────────┘

비유 – 플레이어가 Fire(발사)를 클릭하면, 제어 장치는 “총알이 얼마나 큰 데미지를 주는가? 상대에게서 얼마나 체력이 차감되는가?” 를 결정한다.

기타 즉시 데이터 (레지스터만큼 중요하지 않음)

┌──────────────────────────────────┐
│  Hold other immediate data which │
│  are important but not as         │
│  critical as data in Register    │
└──────────────────────────────────┘

비유 – 메뉴 설정, 맵 선택, 스킨 선택, 보이스 채팅 등 게임 전반에 걸친 데이터는 필요하지만, 즉시 총알 데미지를 계산하는 데는 필요하지 않다.

저장소에서 RAM → CPU 로

1. 앱 시작 – 프로그램이 ROM / HDD / SSD 에서 읽혀 RAM 으로 복사된다.
2. 앱이 실행되는 동안, 데이터는 RAM 에 존재한다.
3. 그 RAM 데이터 중 작은 부분이 가장 빠른 연산을 위해 CPU 로 복사된다.

집 비유

CPU 캐시 – 프로세서 내부의 초소형 초고속 메모리

“게임을 플레이하는 동안, 많은 데이터가 RAM 에 존재한다(캐릭터, 메뉴, 맵 등). 전투 중에 모두가 필요한 것은 아니므로, 가장 많이 사용되는 조각들은 CPU 내부에 캐시된다.”

캐시 레벨 및 특징

┌──────────────┐   → Fastest ⚡   (Smallest)   ← Closest to core
│   L1 Cache   │
└──────────────┘
        ↓
┌──────────────┐   → A bit slower 🐇   (Larger)   ← Still per core
│   L2 Cache   │
└──────────────┘
        ↓
┌──────────────┐   → Shared among cores 🐢   (Biggest)   ← A bit away
│   L3 Cache   │
└──────────────┘

어떤 데이터가 어디에 저장되는가?

요약 – 전체 게임 비유 흐름

1. 게임 실행 – 파일이 Hard‑drive / ROM 에서 가져와져 RAM 으로 로드된다.
2. 경기 시작 – 데이터가 긴급도에 따라 메모리 계층에 배분된다.

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│            HARDWARE MEMORY HIERARCHY                   │
└───────────────────────────────────────────────────```

#### Register (Your Hand) – Ultra‑Immediate  

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ │ REGISTER (In your HAND) │ │ Ultra‑Immediate Data (being processed RIGHT NOW) │ │──────────────────────────────────────────────────────────│ │ • Player’s current position │ │ • Opponent’s position │ │ • Bullet speed │ │ • Distance to target │ │ • Real‑time damage calculations │ │ • Current instruction being executed │ │ │ │ Size: Tiny (bytes) Speed: Instant │ │ (the book you’re reading at THIS moment) │ └──────────────────────────────────────────────────────────┘

#### L1, L2, L3 – The Table, Drawer, & Closet  

| 레벨 | 무엇을 보유하고 있는가 (게임 스타일) |
|------|-----------------------------------|
| **L1** | “지금 내가 들고 있는 책은 무엇인가?” – 현재 명령과 그 피연산자. |
| **L2** | “책상 위에 어떤 책들이 있나요?” – 최근 몇 개의 명령, 작은 데이터 구조. |
| **L3** | “선반에 어떤 책들이 있나요?” – 여러 코어가 필요로 할 수 있는 큰 자산(맵, 텍스처 등). |

#### RAM – The Study Room  

다른 모든 게임 자산(메뉴, 로비 UI, 음성 채팅 버퍼 등)은 RAM에 저장되어 필요할 때 캐시로 가져올 준비가 되어 있습니다.

#### Storage (ROM/HDD/SSD) – The Library  

전체 게임 파일은 여기 저장되어 있다가 운영체제가 로드할 때까지 유지됩니다.

## 최종 정리  

| Component | Role | Analogy |
|-----------|------|--------|
| **Register** | **지금 바로** 필요한 데이터를 보유합니다. | 손에 든 책. |
| **L1 Cache** | **하나의 코어**에 대해 가장 자주 접근되는 바이트를 저장합니다. | 바로 앞 테이블 위의 책. |
| **L2 Cache** | 같은 코어에 대한 다음으로 중요한 데이터를 보유합니다. | 책상 서랍 안의 책들. |
| **L3 Cache** | 모든 코어가 공유하는 풀; 크기는 크지만 느림. | 근처 선반에 있는 책들. |
| **RAM** | 전체 프로그램을 위한 주요 작업 메모리. | 곧 필요할 책이 쌓여 있는 공부방. |
| **ROM / HDD / SSD** | 프로그램과 자산의 영구 저장소. | 전 세계 모든 책이 보관된 도서관. |

### 🎮 요약하면  

게임에서 총알을 발사하면, **CPU**는 **registers**에서 *ultra‑immediate* 데이터를, **L1**에서 *very‑frequent* 데이터를, **L2**에서 *still‑frequent* 데이터를, 그리고 **L3**에서 *shared* 데이터를 가져옵니다. 그 외의 데이터는 **RAM**에 머무르며, 캐시될 만큼 뜨거워질 때까지 남아 있습니다. 이 계층 구조 덕분에 프로세서는 느린 메모리 계층으로 계속 돌아가지 않고도 번개처럼 빠르게 동작할 수 있습니다.