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Ultimate Memory Guide

메모리는 어떻게 작동합니까

앞서 우리는 메모리가 어떤 방법으로 CPU가 빨리 가져갈수 있는 곳에 메모리를 저장하는가에 대해 알아보았습니다. 이제 좀 더 자세히 이 과정을 알아보도록 하겠습니다.

메모리는 어떻게 프로세서와 함께 작동합니까


컴퓨터 시스템의 주요 구성요소.


CPU는 종종 컴퓨터의 두뇌로 표현됩니다. 이곳에서 바로 모든 컴퓨터 사용이 이루어집니다.

칩세트는 CPU를 지원합니다.이는 정보가 프로세서와 시스템의 다른 구성요소 사이를 오갈수 있는것을 지배하는 여러 "컨트롤러"를 포함하고 있습니다. 일부 시스템은 하나 이상의 칩세트를 가지고 있습니다.

메모리 컨트롤러는 칩세트의 일부이며, 이 컨트롤러가 메모리와 CPU 사이의 정보 흐름을 구축합니다.

버스는 CPU, 메모리, 모든 입력/출력 디바이스가 연결된 다양한 평행 전선으로 이루어진 컴퓨터의 데이터 궤도입니다. 버스의 디자인, 혹은 버스 아키텍쳐는 얼마만큼의 데이터가 얼마나 빠른 속도로 머더보드를 가로지를 수 있는지를 결정합니다. 특정 구성요소가 요구하는 속도에따라 시스템에는 여러가지 다른 종류의 버스들이 있습니다. 메모리버스는 메모리 컨트롤러에서 컴퓨터의 메모리 소켓까지 운영됩니다. 새로운 시스템들은 CPU에서 메인 메모리까지 운영되는 전면 버스(FSB)와 메모리 컨트롤러에서 L2 캐시까지 운영되는 후면 버스(BSB)의 메모리 버스 아키텍쳐를 가지고 있습니다.

메모리 스피드

CPU가 메모리로부터 정보를 필요로하면, 메모리 컨트롤러에 의해 관리되는 요청을 내보냅니다. 메모리 컨트롤러는 메모리로 요청을 보내고, 언제 정보를 읽는것이 가능한지를 CPU에 보고합니다. 이 전체적인 주기-CPU에서 메모리 컨트롤러로, 메모리로, 또 다시 CPU로 돌아오기까지-의 길이는 메모리 스피드 뿐만 아니라 버스 스피드와 같은 다른 요소들에 의해 달라집니다.

메모리 스피드는 가끔 메가헤르츠(MHz)나 나노초(ns)로 표시되는 액세스 시간-데이터를 운반하는데 필요한 실제 시간-으로 측정됩니다. 메가헤르츠 혹은 나노초의 여부에 관계없이, 메모리 스피드는 요청을 받았을때 메모리 모듈 자체가 얼마나 빨리 이를 전달할 수 있는가를 표시하는 것입니다.

액세스 시간(나노초)

액세스 시간은 메모리 모듈이 데이터요청을 받았을때부터 데이터를 사용할 수 있을때까지를 측정합니다. 메모리칩과 모듈은 80ns에서 50ns의 범위의 액세스 시간으로 표시되곤 했습니다. 액세스 시간 측정(나노초의 측정)에서, 더 낮은 숫자가 더 빠른 스피드를 나타냅니다.

이 예시에서, 메모리 컨트롤러는 메모리로부터의 데이터를 요청하고 메모리가 70ns 내로 요청에 응답했습니다. CPU는 약 125ns 안에 데이터를 수신했습니다. 그렇다면 CPU가 처음 정보를 요청한 시점에서 정보를 수신한 시점까지 걸리는 시간은, 70ns 메모리 모듈을 사용했을 때 195ns가 될 수 있습니다. 왜냐하면 메모리 컨트롤러가 정보흐름을 관리하는데 시간이 소요되며 정보는 버스를 통해 메모리 모듈에서 CPU로 이동해야하기 때문입니다.



메가헤르츠(MHZ)

동기식 DRAM 테크놀로지의 시작으로, 메모리칩이 스스로를 컴퓨터의 시스템 클럭과 동기화시킬 수 있게됨으로써, 스피드를 메가헤르츠나 일초당 백만번의 주기로 측정하는것이 쉬워졌습니다. 이 방법으로 스피드를 측정하는것은 여타의 시스템에서 사용되는것과 같았기때문에, 다른 구성요소의 스피드를 비교하고 그들의 기능을 동기화하는것이 더욱 쉬워졌습니다. 스피드를 좀 더 잘 이해하기 위해서는 시스템 클럭을 이해하는것이 중요합니다.

시스템 클럭

컴퓨터의 시스템클럭은 머더보드에 위치합니다. 이는 모든 컴퓨터의 구성요소에 메트로놈과 같은 리듬으로 신호를 내보냅니다. 전형적으로,이 리듬은 아래와 같은 직사각형파로 그려집니다.



하지만 오실로스코프로 본 실제상의 클럭 신호는 아래에 보여진 예시에 좀 더 가깝습니다.



이 신호 측정의 각 파장은 하나의 클럭주기를 측정합니다. 만약 시스템 클럭이100MHz로 작동된다면, 이는 1초에1억의 클럭주기를 의미합니다. 컴퓨터의 모든 활동은 이들 클럭 주기에 의해 한정되며, 모든 활동을 실행하는데에는 일정한 수의 클럭 주기가 걸립니다. 예를 들어, 메모리 요구를 처리할때 메모리 컨트롤러는 데이터 요청이 6 클럭주기내에 도달할것이라고 프로세서에 보고할 수 있습니다.

CPU와 기타 디바이스들이 시스템클럭보다 더 빨리 혹은 더 느리게 작동할수도 있습니다. 다른 스피드의 구성요소들은 이들을 동기화하기위한 증가나 분할 요소가 필요합니다. 예를 들어, 100MHz 시스템 클럭이 400MHz CPU와 서로 영향을 끼쳤을 때, 각자의 디바이스는 모든 시스템 클럭 주기가 CPU의 네개의 클럭주기와 같다는 것을 이해합니다. 이들은 활동을 동기화하기 위해 네개의 요소를 사용합니다.

많은 사람들이 프로세서의 스피드가 컴퓨터의 스피드라고 추측합니다. 그러나 대부분의 경우, 시스템 버스와 기타 구성요소들이 다른 속도로 작동됩니다.

성능의 최대화

지난 몇해에 걸쳐 컴퓨터 프로세서 스피드는 급격히 증가해왔습니다. 프로세서의 스피드를 증가시키는것은 컴퓨터의 전체적인 성능을 증가시킵니다. 그러나, 프로세서는 컴퓨터의 일부일뿐이며 기능을 완수하기위해서는 아직 기타의 구성요소들에 의존하고 있습니다. CPU의 모든 정보가 메모리로부터 쓰여지거나 읽혀야 처리되므로, 시스템의 전체 성능은 정보가 얼마나 빠른 속도로 CPU와 메인 메모리 사이를 오갈수 있느냐에따라 많이 좌우됩니다.

그러므로, 더욱 빠른 메모리 메모리 테크놀로지가 전체적인 시스템의 성능에 결정적으로 기여하게 됩니다. 그러나, 메모리 자체의 스피드를 증가시키는것은 해결의 일부일뿐입니다. 전형적으로, 정보가 메모리와 프로세서 사이를 오가는데 걸리는 시간은 프로세서가그 기능을 수행하는데 걸리는 시간보다 깁니다. 이곳에 설명된 테크놀로지와 혁신은 메모리와 프로세서간의 커뮤니케이션 처리 속도를 향상시키기 위한 것 입니다.

캐시메모리(CACHE MEMORY)

캐시메모리는 비교적 적은양(보통 1MB미만)의 고속 메모리이며 CPU에 매우 가까이 위치합니다. 캐시메모리는 가장 빈도가 높게 요청된 데이터와 명령을 CPU에 공급하기 위해 설계되었습니다. 캐시메모리로부터 데이터를 갱생하는것은 메인 메모리로부터 처리하는데 걸리는 시간에비해 아주 적게 소요되므로, 캐시메모리를 가지고 있음으로해서 많은 시간을 절약할 수 있습니다. 만약 정보가 캐시에 없다면, 메인 메모리로부터 불러와야합니다. 그러나 캐시메모리를 확인하는데는 아주 잠깐이면되므로 그만한 가치가 있습니다. 이는 슈퍼마켓에가서 음식을 구입하기 전에 냉장고 먼저 확인하는것과 유사합니다. 대부분의 경우 필요로하는것이 있습니다. 만약 그렇지 않다고 하더라도 확인하는데 걸리는 시간은 아주 잠깐입니다.

캐싱에 숨어있는 개념은 "80/20"규칙입니다. 이는 컴퓨터상의 모든 프로그램, 정보, 데이터의 약 20%가 약 80%의 시간동안 사용되었음을 말합니다.(이 20%의 데이터는 이메일 전송이나 수신, 하드 드라이브에 파일을 저장하는것, 또는 키보드의 어떤 키를 만졌는지 인식하는것과 같은데에 요구되는 코드를 포함하고 있을수도 있습니다.) 바꿔말하면, 시스템의 80%의 잔여 데이터는 20%의 시간동안 사용되었습니다. 지금 CPU가 사용하는 데이터와 명령이 나중에 다시 필요하게될 확률이 높으므로 캐시메모리는 합리적입니다.

캐시메모리는 어떻게 작동합니까
캐시메모리는 CPU에서 필요로하는 지시들의 "핫리스트"와 같습니다. 메모리 컨트롤러는 캐시에 CPU가 요청하는 각각의 명령을 저장합니다. CPU가 캐시로부터 필요한 명령을 가져갈때마다-"캐시 히트"라고 불림- 이 명령은 "핫리스트"의 선두로 올라갑니다. 캐시가 가득차고 CPU가 새로운 명령을 부를때에는, 시스템이 캐시에서 가장 오랫동안 사용되지 않은 데이터에 겹쳐쓰기를 합니다. 이러한 방법을 통해, 지속적으로 사용되는 최우선의 정보는 캐시에 남아있는반면, 적은 빈도로 사용되는 정보는 제거됩니다.

캐시의 레벨
오늘날, 대부분의 캐시메모리는 프로세서칩 자체에 통합되어 있지만 다른 구성이 가능합니다. 일부 경우, 시스템은 캐시를 프로세서 내부에 가지고 있을 수도 있으며, 마더보더상의 프로세서의 바로 바깥, 또는/혹은 CPU 근처에 캐시 메모리 모듈을 포함할 수 있는 메모리 캐시소켓을 가지고 있을 수 있습니다. 구성이 어떠한것이든간에, 캐시 메모리 구성요소는 프로세서에 접근하는것에따라 "레벨"이 지정됩니다. 예를들어, 프로세서에서 가장 가까운 캐시는 레벨1(L1), 그 다음 단계의 캐시는 L2, L3등의 순서로 불립니다. 컴퓨터들은 종종 캐시메모리와 더불어 다른 종류의 캐싱을 가지고 있습니다. 예를 들어, 시스템은 가끔 하드 드라이브를 위한 캐시로서 메인 메모리를 사용합니다. 이곳에서는 자세한 내용을 다루지 않을것이지만, 캐시라는 용어가 명확하게 메모리와 기타의 스토리지 테크놀로지와 관련되어있다는것을 참고하는 것이 중요합니다.

프로세서에 가까이 있는 캐시메모리가 훨씬 더 나을지도 모른다, 왜 캐시 메모리가 모든 메인 메모리에 사용되지 않는가? 에 대해 궁금하실 수 있습니다. 첫째는, 캐시메모리가 전형적으로 메인 메모리에 사용되던 DRAM보다 더 비싸고 메가바이트당 더 많은 공간을 필요로하는 SRAM( 스태틱 램)이라고 불리는 메모리칩의 종류를 사용한다는 것입니다. 또한, 캐시메모리가 전체적인 시스템 성능을 향상시키는동안 이 역시 어느정도까지 올라갑니다. 캐시메모리의 진정한 장점은 가장 자주 사용된 명령을 저장하는것입니다. 더 큰 캐시는 더 많은 데이터를 저장할 수 있지만, 데이터가 자주 필요하지 않다면, 이를 프로세서의 근처에 두는것에서 발생하는 이익 또한 적습니다.

메인메모리가 CPU의 메모리 요청을 완수하는데에는 195ns까지 소요될 수 있습니다. 외부 개시는 CPU의 메모리 요청을 최고 45ns에 완수할 수 있습니다.

시스템 보드 레이아웃

이미 알아차리셨겠지만, 시스템상에 메모리모듈을 배치하는것은 시스템성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 로컬 메모리는 CPU가 필요로하는 정보를 모두 처리해야하므로, 메모리와 CPU사이를 오가는 데이터의 속도는 시스템의 전체적인 성능에 있어서 매우 중요합니다. 그리고 CPU와 메모리간에 정보를 주고받는 것이 복잡하게 기한이 명시되어있으므로, 성능에 있어서 메모리가 또다른 주요 요인이 됩니다.

인터리빙

인터리빙이라는 용어는 CPU가 두개 이상의 기억장치 사이를 오가며 커뮤니케이션을 하는 과정을 말합니다. 인터리빙 테크놀로지는 서버와 워크스테이션과 같은 큰 시스템들에 주로 사용되어왔습니다. 작동 방법은 다음과 같습니다: CPU가 기억장치를 지정할때마다, 장치는 스스로는 "리셋"하기위해 약 1 클럭 주기를 필요로합니다. 첫번째 장치가 리셋할 동안 두번째 장치를 지정함으로써 CPU는 처리 시간을 절약할 수 있게됩니다. 또한 인터리빙은 메모리칩들 내부의 성능을 향상시키는 작용을 하기도 합니다. 예를들어, SDRAM 칩 내부의 메모리셀은 두 개의 독립적인 셀장치로 분할되어 동시에 활성화될 수 있습니다. 두 개의 셀장치 사이의 인터리빙은 지속적인 데이터의 흐름을 만들어냅니다. 이는 메모리 주기의 길이를 단축시키며 더 빠른 전송 등급으로 이어집니다.

버스팅(BURSTING)

버스팅은 또다른 시간절약 테크놀로지입니다. 버스팅의 목적은 CPU가 필요로함직한 메모리에 기반을 둔 추가적인 데이터를 제공하는것입니다. 그러므로, CPU가 메모리로부터 정보를 하나하나 가져오는것 대신, 메모리의 여러 연속적인 주소로부터 정보들의 덩어리를 가져옵니다. 프로세서가 요청할 다음의 데이터주소가 이전의 것에 순차적일 확률이 많으므로, 이러한 방법은 시간을 절약할 수 있게합니다. 이러한 방법을 통해, CPU는 각각을 위한 개별적인 요청을 보내지 않고도 필요한 명령을 얻을 수 있습니다. 버스팅은 여러 종류의 메모리와 함께 작동할 수 있으며 데이터가 읽히고 쓰여질 때 작용할 수 있습니다.

버스팅과 파이프라이닝 모두 비슷한 시기에 널리 쓰여졌고 EDO 테크놀로지가 가능하게 되었습니다. 이러한 기능들을 특색으로하는 EDO 칩은 "버스트 EDO" 또는 "파이프라인 버스트 EDO"칩이라고 불리워졌습니다.

파이프라이닝

파이프라이닝은 각 단계에서 일부의 작업이 완수되는 단계의 연속으로 태스크가 나뉘어지는 컴퓨터 프로세싱입니다. 큰 태스크를 작게, 겹치기 태스크의 분할을 통해 파이프라이닝은 파이프라인이 없는 프로세싱에서 가능한 것에 비해 성능을 훨씬 향상시키는데 사용됩니다. 파이프라인을 통해 흐르는것이 시작되면, 여러 단계를 거쳐야함에도 불구하고 명령의 실행등급이 높습니다.


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