[컴퓨터 구조] 기본 개념

컴퓨터의 종류와 특성

개인용 컴퓨터(personal computer, PC)는 개인적인 이용을 위해 설계된 컴퓨터이다. 낮은 가격으로 단일 사용자에게 좋은 성능을 제공하는 것을 중요시하며 제3자(third-party) 소프트웨어를 실행하기 위해 주로 사용된다.
서버(server)는 여러 사용자를 위해서 대형 프로그램 여러 개를 동시에 실행하는 데 사용하며, 주로 네트워크를 통해서 접근된다. 개인용 컴퓨터와 같은 기술로 제작되지만, 연산과 입출력 용량의 확장성이 훨씬 더 크다. 일반적으로 신용도(dependability)를 매우 강조한다. 수퍼컴퓨터 성능과 가격이 가장 높은 컴퓨터 종류이다. 서버로 구성되는 것이 보통이며 가격이 매우 비싸다.
임베디드 컴퓨터(embedded computer)는 다른 장치에 포함되어 있어서 미리 정해진 한 가지 일이나 몇 가지 소프트웨어만 실행하는 컴퓨터이다. 임베디드 컴퓨터는 최소한의 성능만 유지하면서 가격과 소모 전력은 엄격히 제한해야 하는 독특한 요구사항을 갖는 경우가 많다.
개인 휴대용 기기(PMD)는 무선으로 인터넷에 연결되는 소형 기기로 배터리로 작동되며 앱을 다운로드해서 소프트웨어를 설치한다. 스마트폰과 태블릿이 잘 알려진 예이다.
클라우드 컴퓨팅(cloud computing)은 인터넷을 통해 서비스를 제공하는 서버들의 집합이다. 일부 공급자들은 서버의 수를 필요한 만큼 임대해 주기도 한다.
서버스로서의 소프트웨어(software as a service, SaaS)는 소프트웨어와 데이터를 서비스의 일환으로 인터넷을 통해 제공한다. 설치과정이 필요하고 모든 실행이 설치한 기기에서 이루어지는 이진 코드 대신에, 브라우저처럼 로컬 클라이언트 기기에서 실행되는 가벼운 프로그램을 사용한다. 웹 검색과 소셜 네트워킹이 대표적인 예이다.

시스템 소프트웨어

공통적으로 필요한 서비스를 제공하는 소프트웨어를 의마한다. 운영체제, 컴파일러, 로더, 어셈블러가 이에 속한다.

운영체제(operating system, OS)는 실행 프로그램을 위해서 컴퓨터 내의 자원을 관리하는 감독 프로그램이다. 운영체제의 중요 기능으로 기본적 입출력 작업의 처리, 보조기억장치 및 메모리 할당, 컴퓨터를 동시에 사용하는 여러 응용들 간의 컴퓨터 공유 방법 제공 등이 있다.
컴파일러(compiler)는 상위 수준 언어 문장을 어셈블리 언어 문장으로 번역하는 프로그램이다.
어셈블러(assembler)는 기호로 된 명령어(어셈블리 언어)를 이진수 프로그램으로 번역하는 프로그램이다.

컴퓨터의 구성 요소

컴퓨터의 고전적 구성 요소 다섯 개는 입력, 출력, 메모리, 데이터패스(datapath), 제어 유닛이다. 이 중 마지막 두개는 합쳐서 프로세서라고 부르기도 한다.

입력장치는 키보드나 마우스 같이 컴퓨터에 정보를 공급하는 장치이다. 출력장치는 연산결과를 사용자나 다른 컴퓨터에 보내주는 장치이다.
CPU(central processor unit)는 프로세서라고도 부른다. 데이터패스와 제어 유닛으로 구성된 컴퓨터의 핵심 부분으로, 숫자를 더하거나 검사하고, 입출력 장치에게 신호를 보내 활성화하는 일을 한다.
데이터 패스는 산술연산을 수행하는 프로세서의 구성 요소이며, 제어 유닛은 프로그램의 명령에 따라 데이터패스, 메모리, 입출력장치에 지시를 하는 프로세서 구성 요소이다.
메모리는 실행중인 프로그램과 프로그램 실행에 필요한 데이터의 저장소이다.
DRAM(dynamic random access memory)는 집적회로로 만든 메모리의 일종이다. 어떤 위치든지 임의로 접근할 수 있다.
SRAM(static random access memory)는 집적회로로 만들어지는 것은 같지만, DRAM보다 빠르면서 집적도가 낮은 메모리이다.
휘발성 메모리(volatile memory)는 DRAM과 같이 전원이 공급되는 동안만 데이터를 기억하는 기억장치이다.
비휘발성 메모리(nonvolatile memory)는 전원공급이 끊어져도 데이터를 계속 기억하는 기억장치로, 다음 실행 때까지 프로그램을 저장하는데 사용된다.
메인 메모리는 1차 메모리라고도 하며 실행 중인 프로그램을 저장하는 휘발성 메모리이다. 오늘날의 컴퓨터는 대게 DRAM을 사용한다.
보조기억장치는 실행 중이 아닌 프로그램과 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리이다.
자기 디스크는 하드 디스크라고도 한다. 자성 기록 매체가 코팅된 회전 원반으로 구성된 비휘발성 메모리이다.
플래시 메모리는 비휘발성 반도체 메모리이다. DRAM보다 싸지만 느리고, 자기 디스크보다는 비싸고 빠르다.
근거리 네트워크(local area network, LAN)는 지리적으로 제한된 지역에서 데이터를 주고받도록 설계된 네트워크이다.
원거리 네트워크(wide area network,WAN)는 대륙 전체를 연결할 수 있는 수백km 이상의 네트워크이다.

전력 장벽

무어의 법칙(Moore's Law)은 1965년 인텔의 공동 창립자인 고든 무어가 "반도체 칩에 들어갈 수 있는 트랜지스터 수는 2년마다 2배씩 늘어날 것이다"라고 이야기한 것에서 유래하였다. 그러나 2000년대 초반부터 무어의 법칙은 한계에 다다랐다.

첫 번째 원인은 트랜지스터의 누설 전류 문제이다. 트랜지스터의 소모 전력은 전압의 제곱에 비례한다. 따라서 제조사들은 새로운 공정기술이 나올 때마다 대략 15%씩 전압을 낮춰 소비 전력을 조절해왔다. 그러나 전압 값을 계속 낮추다 보니 트랜지스터의 누설전류 값이 너무 커졌고, 트랜지스터가 제대로 작동할 수 없게 되어 전압을 더이상 낮출 수 없는 한계에 다다랐다.

두 번째 원인은 발열문제이다. 전압을 낮추지 않고 트랜지스터의 수를 증가시키면 발열량이 증가한다. 이러한 발열량을 감당하기 위해서는 성능 좋은 냉각 장치를 사용해야하는데 사용 전력이 기하급수적으로 늘어나 개인용 컴퓨터는 물론이고 서버 컴퓨터에서 사용하기에도 비용이 비싸다는 문제가 있다.

전력 장벽 문제를 해결하기 위해 제조사들은 멀티코어 프로세서를 만들기 시작했다.