CPU는 어떻게 초당 수십억 번 연산을 처리할 수 있을까요?

Question

컴퓨터나 스마트폰 CPU가 엄청난 속도로 계산을 한다고 하는데, 실제로 내부에서는 어떤 구조로 명령을 처리하고 병렬로 연산이 이루어지는지 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

CPU는 수십억 개의 트랜지스터를 이용해 0과 1을 매우 빠르게 스위칭하며 클럭 신호에 맞춰 명령어를 읽기 해독 실행하는 과정을 반복합니다 최신 CPU는 여러 개의 코어를 갖고 있을 분 아니라 파이프라인 분기 예측 캐시 메모리 초스칼라 구조 등을 활용해 여러 명령을 동시에 또는 겹쳐서 처리하여 효율을 극대화합니다 예를 들어 4GHz CPU는 이론적으로 초당 40억 번의 클럭 주기를 수행하며 한 주기에도 여러 연산을 병렬 처리할 수 있어 실제 연산량은 그보다 훨씬 많아질 수 있습니다

Answer 2

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

CPU가 초당 수십억 번 연산할 수 있는 이유는 내부 회로가 아주 빠른 박자, 즉 클럭에 맞춰서 계속 명령을 처리하기 때문입니다.

CPU가 만약에 3GHz다 하면 1초에 약 30억번 정도의 기본 동작 타이밍을 가진다고 보시면됩니다. 쉽게 말해서 CPU 안에는 계산을 담당하는 작은 일꾼들이 아주 많이 들어 있다고 보시면 되겠습니다. 명령을 받고, 계산하고, 결과를 저장하는 일을 정말 빠른 속도로 반복하게 됩니다.

그리고 CPU는 일을 하나씩 끝낸 뒤에 다음 일을 하는 것이 아니고 여러 단계를 나눠서 동시에 처리하게 됩니다. 자주 쓰이는 데이터들은 한번쯤을 들어보셨을 것 같은데 캐시라는 가까운 저장공간에 미리 두어서 기다리는 시간을 줄이기도 합니다.

요즘은 CPU가 코어도 여러 개라서 여러 작업을 나눠서 맡을 수도 있습니다. 빠른 전기 신호와 여러 계산 회로가 함께 움직이기 때문에 우리가 느끼기 어려울 정도로 빠르게 연산이 이루어지는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

CPU는 내부에 수십억개의 미세한 트렌지스터 스위치가 나노초단위로 켜고 꺼집니다. 그리고 명령어를 읽고 해석해서 실행하는 사이크을 빠른 속도로 반복하죠. 여기에 여러 연산장치를 동시에 돌리는 파이프라이닝이랑 코어를 여러개 두는 병렬 처리기술 때문에 초당 수십억번의 복잡한 계산을 막힘없이 할수있는 겁니다.