아키텍처

Architecture

하드웨어와 소프트웨어의 구성 요소, 기능, 상호작용 등을 설계하고 구성하는 방식이나 규칙으로 컴퓨터 시스템 전반에 대한 설계와 구조를 의미한다.

 

Von Neumann Architecture

폰 노이만 아키텍처

1940년대 말에 알렌 튜링과 존 폰 노이만 등이 제안한 아키텍처로 컴퓨터 시스템의 아키텍처 중 가장 널리 사용되는 구조 중 하나이다. 현대 컴퓨터 시스템의 대부분이 이 아키텍처를 기반으로 설계되었다.

Von Neumann 아키텍처는 메모리, CPU, 입/출력 장치, 버스 등의 하드웨어 요소로 구성되며 이 중에서 CPU가 가장 핵심적인 구성 요소이다. CPU는 명령어를 순차적으로 처리하며, 프로그램의 명령어를 주기억장치에서 읽어와서 해석하고 실행한다. 따라서 명령어와 데이터를 모두 주기억장치에 저장하고 명령어와 데이터를 순차적으로 읽어오는 방식을 사용한다. 이를 '프로그램과 데이터의 저장공간이 동일하다'라는 의미에서 '단일 저장 장치(Single Memory)'라고 한다.

 

명령어와 데이터를 같은 메모리 공간에 저장하기 때문에 명령어와 데이터의 접근 시간이 동일하다는 것으로 명령어와 데이터를 주기억장치에서 읽어오는 시간이 줄어들어 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 프로그램의 수정이나 변형이 용이하다는 장점을 가진다. 하지만 주기억장치와 CPU 사이의 데이터 전송이 병목현상을 유발할 수 있으며 이를 해결하기 위해 캐시 메모리 등의 보조 기억장치를 사용하는 등의 방법이 고안되었다. 

 

Havard Architecture

하버드 대학에서 개발되었다는 것에서 이름이 유래되었다.

Von Neumann 아키텍처와 달리 프로그램과 데이터가 동일한 메모리 공간에 저장되지 않고 각각 다른 메모리 공간에 저장한다. 이러한 구조를 가지는 컴퓨터 시스템은 두 개의 메모리 버스를 사용한다. 하나는 프로그램을 저장하는 코드 메모리 버스이고, 다른 하나는 데이터를 저장하는 데이터 메모리 버스이다. 이 두 개의 버스는 병렬로 동작하여 CPU가 동시에 코드와 데

이터를 읽을 수 있도록 한다.

 

이 아키텍처의 장점은 프로그램과 데이터가 각각 다른 메모리 공간에 저장되기 때문에 프로그램과 데이터를 동시에 읽을 수 있다. 따라서 프로그램 실행 시간이 더욱 빨라진다. 그리고 프로그램과 데이터를 분리하여 저장하기 때문에 데이터의 비인가된 접근을 막을 수 있어 보안성이 Von Neumann 아키텍처보다 높다. 하지만 각각 다른 메모리 공간에 저장되어 있기 때문에 프로그램 수정 시 코드 메모리와 데이터 메모리를 모두 수정해야하기 때문에 프로그램의 수정이나 변형이 불편하며 이러한 구조를 가지는 컴퓨터 시스템은 하드웨어 구조가 복잡하다.

 

Von Neumann 아키텍처와 Harvard 아키텍처 두 아키텍처의 차이는 명령어와 데이터를 메모리에서 어떻게 처리하느냐에 따라 달라지며, 이는 컴퓨터 아키텍처의 성능과 기능을 결정한다. 

 

Instruction Set Architecture(ISA)

명령어 세트 아키텍처

컴퓨터에서 실행되는 명령어 집합과 해당 명령어의 동작을 정의하는 인터페이스 즉, 소프트웨어 개발자와 하드웨어 엔지니어 사이의 인터페이스 역할을 한다.

 

명령어 세트 아키텍처는 프로그래밍 언어와 컴퓨터 아키텍처 사이의 중개자 역할을 하며, 어떤 프로그래밍 언어를 사용하더라도 ISA에서 정의된 명령어 집합을 사용하여 작성된 프로그램은 모든 ISA 호환 컴퓨터에서 실행될 수 있다. 또한 ISA는 명령어의 크기, 명령어의 수행 방법, 레지스터의 개수와 종류, 주소 지정 방식 등과 같은 하드웨어 구성 요소를 규정하여, 하드웨어 제조업체들이 ISA를 준수하여 호환성을 보장할 수 있도록 한다.

RISC

Reduced instruction Set Computing 

명령어의 수를 줄이고 명령어 실행 시간을 일정하게 유지하는 것에 초점을 두고 설계된 아키텍처이다.

CISC

Complex Instruction Set Computing

 복잡한 명령어 집합과 다양한 주소 지정 방식 등을 지원하여 프로그래머가 작성한 코드의 길이를 줄이고 복잡한 작업을 더 쉽게 처리할 수 있도록 설계되었다.

 

Microarchitecture

ISA에서 정의된 명령어 세트를 하드웨어로 구현하는 방법에 대한 아키텍처이다. 마이크로 아키텍처는 ISA와 하드웨어 구현 사이의 중간 계층으로 ISA에 정의된 명령어 세트를 하드웨어에서 처리하기 위한 방법과 기술적인 세부 사항을 다룬다.

 

마이크로 아키텍처는 CPU의 내부 동작 방식을 설명하며 ALU, 레지스터, 캐시 등과 같은 하드웨어 요소들이 어떻게 조합되어 명령어를 실행하는지를 나타낸다. 이는 프로세서의 처리 속도와 성능에 직접적인 영향을 미친다.

 

예를 들어 Intel의 x86 아키텍처는 하나의 ISA를 여러 가지 버전의 마이크로 아키텍처를 통해 구현하는 방법이 다르며 이러한 버전에는 Pentium, Core, Atom 등이 있다.

 

ISA와 달리 마이크로 아키텍처는 하드웨어에 종속적이며 같은 ISA를 가진 두 개의 CPU라 하더라도 각각의 마이크로 아키텍처에 따라서 성능과 기능이 달라진다. 이러한 이유로 마이크로 아키텍처는 하드웨어 설계자들이 CPU를 개발할 때 매우 중요한 역할을 한다.

VLIW

Very Long Instruction Word Architecture

하나의 명령어로 여러 개의 연산 명령어들을 패킹하여 동시에 처리하는 방식을 사용하는 마이크로 아키텍처이다.

각 연산 명령어의 종류와 크기는 사전에 고정되어 있어야 하며 이렇게 하나의 명령어에 여러 개의 연산 명령어를 패킹하면 하나의 명령어를 실행하는데 필요한 클럭 사이클 수를 줄 일 수 있어 실행 효율성이 높아진다.

 

하지만 이러한 패킹 작업이 복잡하고 명령어에 들어갈 연산 명령어의 종류와 크기를 고정해야 하기 때문에 하드웨어 구현이 복잡해지고 설계 및 프로그래밍이 어렵다.

 

EPIC

Explicitly Parallel Instruction Computing

인텔에서 개발한 아키텍처로 VLIW의 한 종류이다. 명령어와 함께 해당 명령어를 실행하기 위한 하드웨어 리소스를 명시적으로 지정하여 병렬 처리를 구현한다. 이를 위해 명령어를 여러 개 묶어 하나의 Attention Point로 지정하고 해당 포인트에서 동시에 실행 가능한 명령어를 실행하는 방식을 사용한다. 이를 통해 프로그램 내의 병렬 처리 가능한 부분을 미리 식별하여 처리할 수 있기 때문에 성능 향상을 기대할 수 있다.

 

대표적인 예시로 인텔의 Itanium 프로세서가 있다. 명령어 세트가 복잡하고 처리 방식이 복잡하기 때문에 초기에는 호환성 문제 등으로 실패했지만 대용량 데이터 처리 등에서 높은 성능을 발휘하였다. 그러나 x86 아키텍처에 비해 생태계가 덜 발달하고 소프트웨어 호환성 문제도 있어 현재는 사용되지 않고 있다.

 

 

SIMD

Single Instruction Multiple Data

여러 개의 데이터가 동시에 처리하기 때문에 대규모 데이터 병렬 처리에 유리하다.

벡터 프로세싱이라고도 불리며 벡터 레지스터라는 별도의 레지스터를 사용하여 데이터를 저장하고 벡터 명령어를 사용하여 데이터를 처리한다. 

 

예를 들어 4개의 데이터를 더하는 연산을 할때 일반적으로 4번의 덧셈 연산을 수행해야 하지만 SIMD 아키텍처에서는 한 번의 명령어로 4개의 데이털르 한꺼번에 연산할 수 있다. 따라서 SIMD 아키텍처는 더 빠르고 효율적인 데이터 처리가 가능하기 때문에 그래픽 카드나 디지털 신호 처리 등의 분야에서 많이 사용된다.

 

Intel의 MMX, SSE, AVX, ARM의 NEON 등이 이 아키텍처를 기반으로 한다.