CPU란 무엇일까?
컴퓨터의 두뇌를 가장 쉽게 설명하면
컴퓨터를 설명할 때 CPU를 흔히 “컴퓨터의 두뇌”라고 부릅니다.
스마트폰에도 CPU와 비슷한 역할을 하는 핵심 반도체가 들어 있고, 노트북이나 데스크톱 컴퓨터에도 CPU가 들어 있습니다.
그런데 CPU는 정확히 무엇을 하는 부품일까요?
그리고 왜 컴퓨터의 두뇌라고 부르는 걸까요?
이번 글에서는 CPU의 역할을 아주 쉽게 알아보겠습니다.
CPU를 한 문장으로 설명하면?
CPU는 컴퓨터 안에서 명령을 읽고 계산하고, 다른 부품들이 무엇을 해야 하는지 지시하는 반도체입니다.
CPU는 영어로
Central Processing Unit
이라고 합니다.
우리말로는 중앙처리장치라고 부릅니다.
이름이 조금 어렵지만 뜻은 간단합니다.
컴퓨터의 여러 작업을 중심에서 처리하는 장치라는 뜻입니다.
학교의 반장으로 생각해보자
CPU를 학교의 반장이나 선생님처럼 생각하면 이해하기 쉽습니다.
교실에는 여러 사람이 있습니다.
어떤 학생은 칠판을 닦고,
어떤 학생은 책을 나눠주고,
어떤 학생은 창문을 엽니다.
그런데 누군가는
“너는 칠판을 닦아.”
“너는 책을 나눠줘.”
“너는 창문을 열어.”
라고 일을 정리해서 알려줘야 합니다.
컴퓨터에서는 CPU가 비슷한 역할을 합니다.
키보드,
마우스,
메모리,
저장장치,
그래픽카드
같은 여러 부품이 있고,
CPU는 프로그램의 명령을 읽으면서 필요한 계산을 하고 다른 장치들이 어떤 일을 해야 하는지 지시합니다.
우리가 마우스를 클릭하면 CPU는 무엇을 할까?
컴퓨터 바탕화면에 인터넷 브라우저가 있다고 생각해보겠습니다.
사용자가 마우스로 브라우저 아이콘을 클릭합니다.
우리 눈에는 그냥 프로그램 하나가 열리는 것처럼 보입니다.
하지만 컴퓨터 안에서는 여러 일이 빠르게 일어납니다.
마우스가
“사용자가 이 위치를 클릭했습니다.”
라는 정보를 컴퓨터에 전달합니다.
CPU는 그 정보를 확인합니다.
그리고
“이 위치에는 브라우저 아이콘이 있구나.”
라고 판단합니다.
그다음 저장장치에 있는 브라우저 프로그램을 불러오도록 지시합니다.
필요한 데이터를 메모리에 올리고,
화면에 프로그램을 표시하도록 다른 장치에도 명령을 전달합니다.
이 모든 과정이 매우 빠르게 일어나기 때문에 우리는 거의 즉시 브라우저가 실행되는 것처럼 느낍니다.
CPU는 프로그램의 명령을 읽는다
앞 글에서 프로그램은 컴퓨터에게 해야 할 일을 알려주는 명령서라고 배웠습니다.
CPU는 바로 이 명령들을 하나씩 읽고 실행합니다.
예를 들어 아주 단순한 프로그램에 이런 명령이 있다고 해보겠습니다.
- 숫자 5를 가져온다.
- 숫자 3을 가져온다.
- 두 숫자를 더한다.
- 결과를 화면에 보여준다.
CPU는 이 명령을 순서대로 처리합니다.
5 + 3이라는 계산을 하고 결과인 8을 만들어냅니다.
즉 CPU는 프로그램이 적어놓은 일을 실제로 수행하는 실행 담당자입니다.
CPU가 하는 가장 기본적인 일
CPU가 하는 일은 매우 많지만 처음에는 세 가지로 기억하면 됩니다.
명령을 읽는다.
계산한다.
다른 부품을 제어한다.
이 세 가지가 CPU의 핵심 역할입니다.
1. CPU는 계산을 한다
CPU는 숫자를 더하고 빼고 비교합니다.
예를 들어 게임 캐릭터의 체력이 100인데 적에게 30의 피해를 받았다고 해보겠습니다.
CPU는
100 – 30 = 70
이라는 계산을 처리할 수 있습니다.
그리고 캐릭터의 새로운 체력을 70으로 바꿉니다.
게임뿐만 아닙니다.
인터넷 브라우저,
문서 프로그램,
계산기,
운영체제
등 컴퓨터에서 실행되는 거의 모든 프로그램에서 CPU의 계산이 필요합니다.
2. CPU는 판단을 한다
CPU는 단순히 숫자를 계산하는 것만이 아니라 조건을 비교할 수도 있습니다.
예를 들어 게임에 이런 규칙이 있다고 해보겠습니다.
체력이 0보다 작거나 같으면 게임 오버.
현재 체력이 20이라면?
게임 계속.
현재 체력이 0이라면?
게임 오버.
CPU는 이런 조건을 확인하면서 프로그램이 어떤 행동을 해야 할지 결정할 수 있습니다.
이런 판단도 결국 앞에서 배운 0과 1, 논리 게이트 같은 원리를 이용합니다.
3. CPU는 다른 부품에게 일을 시킨다
CPU 혼자서 컴퓨터의 모든 일을 하는 것은 아닙니다.
예를 들어 그림을 화면에 그리는 작업은 GPU가 매우 잘합니다.
데이터를 임시로 기억하는 일은 메모리가 담당합니다.
사진이나 문서를 오래 보관하는 일은 SSD 같은 저장장치가 담당합니다.
CPU는 필요한 순간에 각각의 장치와 데이터를 주고받으며 컴퓨터 전체가 제대로 움직이도록 합니다.
그래서 CPU는 회사의 관리자처럼 생각할 수도 있습니다.
CPU 안에는 무엇이 들어 있을까?
CPU는 겉으로 보면 작은 네모난 부품입니다.
하지만 그 안에는 엄청나게 복잡한 회로가 들어 있습니다.
그리고 앞에서 배운 트랜지스터가 아주 많이 들어 있습니다.
트랜지스터 여러 개를 연결하면 논리 게이트를 만들 수 있습니다.
논리 게이트를 더 많이 연결하면 숫자를 계산하는 회로를 만들 수 있습니다.
이런 회로가 수없이 모여 CPU가 됩니다.
즉 CPU 역시 결국
수많은 트랜지스터로 만들어진 아주 복잡한 계산기
라고 볼 수 있습니다.
CPU 안의 계산 담당 부서
CPU 안에도 서로 다른 역할을 하는 부분들이 있습니다.
처음에는 크게만 이해하면 됩니다.
대표적으로 ALU라는 부분이 있습니다.
ALU는
Arithmetic Logic Unit
의 약자입니다.
우리말로는 산술논리연산장치라고 합니다.
이름은 어렵지만 역할은 간단합니다.
숫자를 더하고,
빼고,
비교하고,
논리적인 판단을 하는 곳입니다.
쉽게 말하면 CPU 안의 계산실입니다.
명령은 어디에 있을까?
CPU가 프로그램의 명령을 읽는다고 했습니다.
그런데 프로그램 전체를 CPU 안에 모두 넣어두는 것은 아닙니다.
프로그램과 데이터는 저장장치와 메모리 등에 보관됩니다.
CPU는 필요한 명령과 데이터를 가져와서 처리합니다.
이를 음식점으로 비유해보겠습니다.
저장장치는 큰 창고입니다.
메모리는 주방 옆에 있는 재료 준비대입니다.
CPU는 요리사입니다.
창고에 있는 모든 재료를 요리사 바로 옆에 놓을 수는 없습니다.
그래서 당장 필요한 재료만 준비대에 올려놓습니다.
요리사는 준비대에서 재료를 빠르게 가져와 요리합니다.
컴퓨터도 비슷합니다.
CPU가 빠르게 일하려면 필요한 데이터를 가까운 곳에서 빠르게 가져올 수 있어야 합니다.
그래서 메모리가 중요하다
CPU가 아무리 빠르더라도 필요한 데이터를 늦게 받으면 기다려야 합니다.
천재 학생이 시험문제를 아주 빨리 풀 수 있는데,
선생님이 문제지를 1분에 한 장씩 나눠준다고 생각해보세요.
학생의 실력이 좋아도 문제지를 기다리는 시간이 생깁니다.
CPU도 마찬가지입니다.
그래서 컴퓨터에는 데이터를 빠르게 전달해주는 메모리가 중요합니다.
나중에 AI 반도체를 배울 때도 이 문제가 다시 등장합니다.
GPU가 아무리 빠르게 계산해도 필요한 데이터를 늦게 전달받으면 성능을 제대로 사용할 수 없습니다.
이 문제 때문에 AI 시대에 HBM이라는 매우 빠른 메모리가 중요해졌습니다.
CPU의 클럭이란 무엇일까?
컴퓨터 광고를 보면 이런 숫자를 볼 수 있습니다.
3.5GHz
4.0GHz
5.0GHz
여기서 GHz는 CPU가 얼마나 빠른 주기로 동작하는지를 나타내는 단위입니다.
쉽게 말하면 CPU 안에는 작업의 박자를 맞추는 아주 빠른 시계가 있다고 생각할 수 있습니다.
음악을 연주할 때
하나, 둘, 셋, 넷
하며 박자를 맞추는 것처럼,
CPU도 일정한 박자에 맞춰 여러 작업을 처리합니다.
GHz가 높다는 것은 기본적으로 이 박자가 매우 빠르다는 뜻입니다.
5GHz면 CPU가 1초에 50억 번 계산한다는 뜻일까?
완전히 그렇게 단순하게 생각하면 안 됩니다.
5GHz는 1초에 약 50억 번의 클럭 주기가 있다는 뜻에 가깝습니다.
한 번의 클럭마다 반드시 하나의 완전한 프로그램 명령이 끝나는 것은 아닙니다.
CPU 구조에 따라 한 번에 여러 일을 할 수도 있고,
어떤 명령은 여러 단계를 거쳐야 할 수도 있습니다.
그래서 CPU 성능을 GHz 숫자 하나만 보고 비교하면 안 됩니다.
CPU의 코어란 무엇일까?
CPU를 알아볼 때 코어(Core)라는 단어도 자주 등장합니다.
예를 들어
4코어,
8코어,
12코어,
16코어 CPU
라는 말을 들어봤을 것입니다.
코어를 쉽게 설명하면 CPU 안에 있는 독립적인 일꾼이라고 생각하면 됩니다.
CPU 하나 안에 일꾼이 한 명만 있을 수도 있고,
여러 명이 있을 수도 있습니다.
한 명의 천재와 여러 명의 직원
식당을 생각해보겠습니다.
요리사가 한 명이면 한 번에 처리할 수 있는 일이 제한됩니다.
하지만 요리사가 8명이 있으면 여러 주문을 동시에 처리할 수 있습니다.
CPU의 코어도 비슷합니다.
코어가 여러 개 있으면 여러 작업을 동시에 나누어 처리할 수 있습니다.
예를 들어
인터넷 브라우저를 실행하면서,
음악을 재생하고,
파일을 다운로드하고,
게임을 실행하는
여러 작업을 더 효율적으로 처리할 수 있습니다.
코어가 많으면 무조건 빠를까?
그렇지는 않습니다.
요리사가 100명 있다고 생각해보겠습니다.
작은 라면 하나를 끓이는 데 요리사 100명이 모두 필요한 것은 아닙니다.
오히려 서로 부딪힐 수도 있습니다.
프로그램도 마찬가지입니다.
어떤 프로그램은 여러 코어를 잘 활용할 수 있지만,
어떤 작업은 한두 개의 코어에 더 많이 의존합니다.
그래서 CPU 성능은
코어 수,
클럭,
CPU 구조,
캐시,
전력 사용량,
프로그램의 특징
등 여러 요소가 함께 결정합니다.
캐시 메모리는 무엇일까?
CPU 주변에는 아주 빠른 캐시(Cache)라는 메모리도 있습니다.
캐시는 CPU가 자주 사용하는 데이터를 가까운 곳에 미리 보관해두는 공간입니다.
학교 공부로 비유해보겠습니다.
집 책장에 모든 교과서가 있습니다.
하지만 시험공부를 할 때 필요한 책 몇 권을 책상 위에 올려놓습니다.
매번 책장을 왔다 갔다 하는 것보다 책상 위에서 바로 가져오는 것이 빠릅니다.
CPU의 캐시도 비슷합니다.
CPU가 자주 사용할 데이터를 매우 가까운 곳에 보관해 빠르게 사용할 수 있도록 합니다.
CPU 하나만 좋으면 컴퓨터가 무조건 빠를까?
아닙니다.
컴퓨터는 여러 부품이 함께 움직이는 기계입니다.
CPU가 아무리 좋아도 메모리가 너무 부족하면 느려질 수 있습니다.
저장장치가 너무 느려도 프로그램을 불러오는 데 시간이 걸립니다.
게임에서는 GPU 성능이 부족하면 화면이 끊길 수 있습니다.
따라서 좋은 컴퓨터는
CPU,
GPU,
메모리,
저장장치
등 여러 부품의 균형이 중요합니다.
스마트폰에도 CPU가 있을까?
네.
스마트폰에도 CPU 역할을 하는 장치가 있습니다.
다만 스마트폰에서는 CPU 하나만 따로 사용하는 것보다 여러 기능을 하나의 칩 안에 합친 경우가 많습니다.
이런 칩을 SoC(System on Chip)라고 부릅니다.
예를 들어 하나의 스마트폰 칩 안에
CPU,
GPU,
AI 연산 장치,
통신 기능,
카메라 처리 기능
등이 함께 들어갈 수 있습니다.
쉽게 말하면 여러 반도체 기능을 하나의 작은 칩 안에 모아놓은 것입니다.
CPU는 왜 모든 계산을 혼자 하지 않을까?
예전 컴퓨터에서는 CPU가 대부분의 계산을 담당했습니다.
하지만 컴퓨터가 해야 할 일이 점점 복잡해졌습니다.
특히 3D 그래픽이나 AI 같은 작업은 비슷한 계산을 엄청나게 많이 반복합니다.
CPU가 이런 모든 계산을 혼자 처리하면 효율적이지 않을 수 있습니다.
그래서 특정 작업을 더 잘하는 반도체가 등장했습니다.
대표적인 것이 GPU입니다.
CPU와 GPU는 둘 다 계산을 하지만 잘하는 일이 조금 다릅니다.
CPU와 GPU를 학교로 비유하면
CPU를 아주 똑똑한 학생 몇 명이라고 생각해보겠습니다.
수학 문제도 풀 수 있고,
글도 읽을 수 있고,
발표도 할 수 있고,
상황에 따라 여러 일을 잘 처리합니다.
반면 GPU는 비슷한 계산을 동시에 처리하는 학생이 아주 많이 있는 교실과 비슷합니다.
예를 들어 똑같은 종류의 계산 문제 1만 개를 풀어야 한다면,
몇 명의 학생이 하나씩 푸는 것보다
수천 명의 학생에게 나눠주는 것이 훨씬 빠를 수 있습니다.
바로 이 차이가 AI 시대에 매우 중요해집니다.
CPU는 사라질까?
GPU와 AI 반도체가 발전한다고 해서 CPU가 필요 없어지는 것은 아닙니다.
컴퓨터에는 여전히
운영체제를 관리하고,
프로그램의 흐름을 제어하고,
다양한 종류의 명령을 처리하는
CPU가 필요합니다.
CPU와 GPU는 서로 완전히 같은 일을 하는 경쟁자라기보다 각자의 강점을 가지고 협력하는 장치라고 생각하는 것이 좋습니다.
CPU를 만드는 회사에는 어떤 곳이 있을까?
우리가 많이 들어본 CPU 회사로는
Intel,
AMD
등이 있습니다.
스마트폰과 모바일 기기에서는 ARM이라는 설계 방식도 매우 중요합니다.
Apple의 스마트폰과 컴퓨터용 칩도 CPU 코어를 포함하고 있습니다.
하지만 중요한 것은 회사 이름을 외우는 것이 아닙니다.
지금 단계에서는
CPU는 컴퓨터의 다양한 명령을 처리하고 전체 작업을 관리하는 핵심 반도체
라는 점을 이해하는 것이 가장 중요합니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 다섯 가지를 기억하면 됩니다.
첫째, CPU는 프로그램의 명령을 읽고 실행합니다.
둘째, CPU는 계산하고 비교하고 판단합니다.
셋째, CPU는 메모리와 GPU 같은 다른 부품들과 데이터를 주고받으며 컴퓨터를 움직입니다.
넷째, CPU 안에는 수많은 트랜지스터가 들어 있습니다.
다섯째, CPU는 다양한 일을 잘하지만 모든 계산에 가장 효율적인 것은 아닙니다.
그렇다면 GPU는 무엇이 다를까?
CPU는 다양한 일을 처리하는 데 매우 뛰어납니다.
하지만 현대의 게임과 AI에서는 한 번에 처리해야 하는 계산량이 엄청나게 많아졌습니다.
예를 들어 게임 화면에는 수백만 개의 픽셀이 있고,
각 픽셀마다 색깔과 밝기, 빛의 방향 등을 계산해야 합니다.
AI 역시 비슷한 숫자 계산을 엄청난 횟수로 반복합니다.
이런 작업을 CPU가 하나씩 처리하는 것보다 많은 계산을 동시에 처리하는 방식이 더 유리할 수 있습니다.
그래서 등장한 중요한 반도체가 GPU입니다.
다음 글에서는
「GPU란 무엇일까?｜게임용 그래픽카드가 AI의 두뇌가 된 이유」
를 통해 CPU와 GPU가 무엇이 다른지, 그리고 왜 NVIDIA가 AI 시대의 핵심 기업이 되었는지 이해하기 위한 기초를 알아보겠습니다.
CPU 성능을 볼 때 함께 확인할 자료
CPU 성능은 코어 수나 클럭 하나로 결정되지 않습니다. 구조, 캐시, 메모리, 전력 제한, 실제 프로그램 특성을 함께 봐야 합니다.
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