컴퓨터 추상화 및 관련 기술

컴퓨터 구조 분야의 8가지 위대한 아이디어

• Moore의 법칙을 고려한 설계
  • Moore의 법칙은 18~24개월마다 칩에 집적되는 소자의 수가 2배가 된다는 것.
  • 프로젝트 시작 시점보다 종료 시점의 기술을 예상해야 한다.
• 설계를 단순화하는 추상화
  • 하위 수준의 상세한 사항을 안 보이게 함으로써 상위 수준 모델을 단순화한다.
• 병렬성을 통한 성능 개선
  • 여러 개의 제트 엔진을 장착한 비행기...
• 파이프라이닝을 통한 성능 개선
  • 사람들이 길게 늘어서서 물을 나르는 것...
• 예측을 통한 성능 개선
  • 예측을 잘못해서 이를 복구하는 비용이 비싸지 않고, 예측이 성공할 확률이 비교적 높은 경우
  • 예측을 해서 미리 일을 수행하는 것이 평균적으로 빠른 경우가 종종 있다.
• 메모리 계층 구조
  • 최상위 계층에는 제일 비싸지만 작고 빠른 메모리
  • 최하위 계층에는 싸지만 크고 느린 메모리
• 여유분을 이용한 신용도 개선
  • 장애를 감지하고 난 후에 대치할 수 있는 여유분
  • 신용도 개선

프로그램 밑의 세계

• 기계는 bit를 통해 소통한다.
• 이를 어셈블러가 기호로 된 명령어(어셈블리 언어)를 기계어(이진수)로 바꿔준다.
• 상위 수준 언어는 컴파일러가 어셈블리어로 변환해준다.

컴퓨터의 고전적 구성 요소 다섯 가지

• 입력 유닛 (input)
• 출력 유닛 (output)
• 메모리 유닛 (memory)
• 데이터 패스 유닛 (datapath)
• 제어 유닛 (control)

하드웨어와 소프트웨어는 모두 추상화를 이용하여 계층적으로 구성되며, 각 하위 계층의 세세한 부분이 상위 계층에서는 보이지 않게 한다. 여러 계층의 추상화 중에서 가장 중요한 것은 하드웨어와 하위 계층 소프트웨어 간의 인터페이스인 명령어 집합 구조(instruction set architecture)이다.

데이터의 안전한 저장소

• 휘발성 vs 비휘발성
  • 휘발성
    • 메인 메모리 (main memory)
    • DRAM
  • 비휘발성
    • 보조기억장치 (secondary memory)
    • HDD, SSD...

프로세서와 메모리 생산 기술

• 집적회로 : 수십, 수백 개의 트렌지스터(전기 신호로 제어되는 온/오프 스위치)를 하나에 집적시킨 것
• 초대규모집적회로 : 수십만, 수백만 개의 트랜지스터를 포함하고 있는 집적회로
• 집적회로는 실리콘(모래의 구성 성분으로 이뤄진 반도체(전기가 잘 통하지는 않는 물질) 천연 원소)에서 출발한다.
• 실리콘은 아래 세가지로 바꿀 수 있다.
  • 전기의 양도체 (초소형 구리나 알루미늄 전선)
  • 전기 절연체 (플라스틱 피복이나 유리)
  • 조건에 따라 도체가 되기도 하고 절연체가 되기도 하는 물질(스위치)
    • 트렌지스터는 이에 해당한다.
• 실리콘 결정 괴(막대 모양의 실리콘 결정) -> 웨이퍼 (실리콘 괴를 0.1인치 이내로 얇게 잘라 칩을 만드는 데 사용) -> 화학처리 -> 트랜지스터, 도체, 절연체
• 웨이퍼 결함 -> 결함이 생긴 웨이퍼만 버림 -> 수율로 계량화

성능

• 성능 측정 기준
  • 응답 시간 : 컴퓨터가 테스크를 완료하기까지의 총 소요시간 (== 실행시간)
    • CPU 실행시간 : 특정 작업의 실행을 위해 CPU가 소비한 실제 시간
    • 사용자 CPU 시간 : 프로그램 자체에 소비된 CPU 시간
    • 시스템 CPU 시간 : 프로그램의 수행을 위해서 운영체제가 소비한 CPU 시간
    • 클럭 사이클, clock cycle : 클럭 (전기적 신호에 따른 하드웨어의 반응을 주파수로 기록)의 시간 간격
    • 클럭 주기, clock period : 한 클럭 사이클에 걸리는 시간
  • 처리량 : 단위시간당 완료하는 테스크의 수를 나타내는 척도 (== 대역폭)
• cpu 시간 = 명령어 개수 x CPI(명령어당 클럭 사이클 수) / 클럭 속도

실행시간만이 유효한 성능 척도이다. 다른 척도들은 허점이 존재한다.