시장에서 가장 비싼 CPU에 수천 달러를 지출하면 확실히 더 나은 성능을 얻을 수 있습니다. 하지만 그 성능 차이는 수백 달러나 저렴한 다음 등급 CPU보다 겨우 5~10% 정도에 불과할 수 있습니다. 따라서 현명한 구매 결정을 내리려면 CPU 성능에 영향을 미치는 요소들을 제대로 이해하는 것이 중요합니다.
CPU란 무엇인가?
CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)는 '프로세서'라고도 불리며, 컴퓨터 시스템에서 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 CPU는 모든 데이터 연산을 처리하고 최대한 빠른 시간 안에 결과를 도출하는 임무를 맡습니다.
CPU는 컴퓨터 외부에서는 확인할 수 없습니다. 실제로 조립이 완료된 PC에서는 CPU를 볼 수 없습니다. CPU를 직접 확인하려면 컴퓨터 케이스를 열고, 케이블을 분리한 뒤, 방열판(및 쿨링 팬)을 제거해야만 겉면을 볼 수 있습니다. CPU의 모양은 아래에 수많은 접점 핀이 달린 작은 사각형 칩 형태입니다.
아래 이미지는 CPU의 뒷면과 앞면 모습입니다.
CPU의 작동 원리
간단히 설명하면, CPU의 작동 방식은 다음 세 단계로 요약할 수 있습니다.
- 애플리케이션 실행을 클릭하면, 원시 명령어가 먼저 하드디스크(때로는 메모리)에서 불러와 CPU로 전송됩니다.
- CPU가 명령어를 받으면 논리 연산을 실행하고 결과를 계산합니다.
- CPU가 처리를 마치면 결과를 해당 장치로 전송하여 사용자에게 출력합니다.
간단해 보이지만, 이 세 단계는 모두 단 몇 초 안에 완료되어야 합니다. 어느 단계에서든 지연이 발생하면 컴퓨터에 랙(lag) 현상이 나타납니다.
클럭 속도
모든 CPU에는 작업의 '박자'를 제공하는 내부 클럭이 장착되어 있습니다. '클럭 속도(Clock Speed)' 또는 '클럭 레이트(Clock Rate)'는 CPU가 1초 동안 수행할 수 있는 연산 횟수를 의미합니다.
CPU 이름 옆에 표시되는 Hz(헤르츠, MHz·GHz 단위 포함) 숫자가 바로 이 클럭 속도입니다.
문제는 속도를 높이려면 CPU에 더 많은 전력을 공급해야 하고, 이는 곧 발열로 이어진다는 점입니다. 4GHz 상한선을 넘어서면 CPU를 적절히 냉각하는 것이 매우 어려워집니다.
Hz 단위의 CPU 성능은 주로 싱글 스레드 애플리케이션에 영향을 미칩니다. 크롬이나 파이어폭스 같은 대부분의 최신 소프트웨어는 클럭 속도에만 의존하기보다 멀티 코어(다음 섹션에서 자세히 설명)와 스레드를 활용하도록 설계되었습니다. 일반적으로 클럭 속도가 다소 느리더라도 코어가 많은 CPU가, 빠르지만 싱글 코어인 CPU보다 더 나은 성능을 보여줍니다.
코어 수
실제 속도를 높이는 것이 점점 더 어려워지자, CPU 제조업체들은 코어를 추가하여 멀티태스킹 능력을 강화하는 방향으로 전환했습니다.
멀티 코어 CPU를 '하나의 패키지에 두 개 이상의 CPU를 붙여놓은 것'과 같다고 표현하는 것은 정확하지 않습니다. 일반 소비자 눈에는 그렇게 보일 수 있지만, 실제 설계는 두 개의 CPU를 단순히 나란히 붙이는 것보다 훨씬 정교합니다.
멀티 코어 CPU의 개별 코어들은 하나의 다이 위에 함께 존재하면서, 제조 비용을 절감하고 성능을 향상시키기 위해 일부 리소스를 공유합니다. 예를 들어 캐시 메모리의 일부나 메인보드의 다른 요소들과의 연결 회로 등을 공유할 수 있습니다.
멀티 코어 CPU는 동종(homogeneous) 방식과 이종(heterogeneous) 방식으로 나뉩니다. 동종 CPU는 두 개 이상의 동일한 코어를 포함하고, 이종 CPU는 서로 다른 유형의 코어를 포함합니다. 예를 들어 최신 스마트폰의 CPU는 일반 연산에 특화된 중앙 코어와 사진 촬영, AI 처리 등을 보조하는 여러 개의 소형 코어로 구성되어 있는 경우가 많습니다.
CPU 제조업체들이 GHz 한계를 더 밀어붙이는 대신 코어 수를 늘리는 데 주력하면서, 최신 소프트웨어와 운영체제도 이에 맞춰 발전했습니다. 대부분의 최신 소프트웨어는 이미 멀티 코어를 활용하고 있지만, 여전히 싱글 코어 속도가 높은 CPU에서 더 나은 성능을 보이는 도구, 애플리케이션, 심지어 게임도 많습니다. 이는 일부 작업은 병렬화, 즉 더 작은 단위로 나누어 여러 코어에 분산 처리하는 것이 불가능하기 때문입니다.
캐시와 아키텍처
8비트 시절에는 컴퓨터의 RAM이 CPU에 필요한 모든 데이터를 충분히 빠르게 공급할 수 있었습니다. 그러나 CPU가 계속 빨라지면서 RAM은 따라잡기에 벅차기 시작했고, 그때 캐시가 등장하게 됩니다.
캐시는 사실상 작고 매우 빠른 메모리로, RAM에서 받은 즉시 실행할 명령어를 저장하기 위해 CPU에 추가됩니다. 캐시는 CPU와 동일한 속도로 작동하기 때문에 어떤 지연 없이 최단 시간에 CPU에 정보를 신속하게 공급할 수 있습니다.
캐시에는 여러 단계가 있습니다. L1(Level 1) 캐시는 가장 기본적인 형태의 캐시로 모든 CPU에 탑재되어 있습니다. L2(Level 2) 캐시는 더 큰 용량을 가지며 더 많은 즉시 실행 명령어를 저장하는 데 사용됩니다. 일반적으로 L1 캐시는 L2 캐시를 캐싱하고, L2 캐시는 RAM을 캐싱하며, RAM은 다시 하드디스크 데이터를 캐싱하는 구조입니다. 최신 멀티 코어 기술에서는 용량이 더 크고 여러 코어가 공유하는 L3 또는 L4 캐시도 등장했습니다.
주목할 점은, 누군가 CPU와 RAM 간의 연결 속도를 획기적으로 높이는 방법을 찾는다면 이러한 캐시의 중요성이 앞으로 줄어들 수 있다는 것입니다. AMD가 이를 어느 정도 해냈을 가능성이 있으며, 이것이 차세대 Zen 아키텍처 프로세서가 기대를 모으는 이유 중 하나입니다.
지금까지 CPU 성능에 영향을 미치는 핵심 요소들을 살펴보았습니다. 인텔 CPU와 AMD CPU의 차이점, 그리고 AMD CPU를 선택하는 방법도 함께 확인해 보시기 바랍니다.