오늘은 기초 전산학/컴공 상식을 좀 복습해 보고자 한다.

※ 지금과 같은 컴퓨터의 근간이 갖춰진 과정

1. 순 전자식

이로써 인간이 발명한 계산 기계는 엔진 달린 주판 수준을 넘어서 자신의 모든 내부 상태를 전자 신호만으로 광속으로 표현할 수 있게 됐다. 에니악이 순 전자식 컴퓨터로서는 거의 최초 원조라 여겨진다. 이거 이후로 컴퓨터는 진공관, 트랜지스터, IC, (V)LSI 회로 순으로 그야말로 엄청난 공간 워프를 거듭하면서 작아지고 빨라지기 시작했다.

전자식이 아니라면? 컴퓨터도 엔진이나 모터가 달린 채로 만들어졌을 것이다. 19세기에 영국의 수학자 찰스 배비지는 '프로그래밍 가능한 보편적인 계산 기계'인 '해석 기관'이라는 걸 제안하고 만들려 했다. 시대를 아득히 앞서 간 물건이었는데, 그걸 가동하기 위해서 무려 증기 기관을 접목할 생각까지 했었다. 지금 같은 눈부신 전자 공학 기술이 없던 시절이니 당연히 기계식밖에 선택의 여지가 없었던 것이다.

그리고 1940년대 초에 에니악 이전에 등장했던 '하버드 마크 1'이라는 기계는 '전자식 계산기'라기보다는 '전동식 계산기'에 더 가까웠다. 복잡한 배선과 릴레이뿐만 아니라 4마력짜리 모터가 달려 있었다. 이건 냉각팬 모터가 아니며 하드디스크 같은 기계식 보조 기억장치용 모터도 아니고, CPU의 실제 계산 동작을 위한 모터였다..;;

2. 2진법 기반

사람이나 열 손가락이 달려 있으니 10진법이 편하지, 기계는 단순한 2진법이 더 편하다. 컴퓨터가 전자식으로 바뀐 뒤부터는 그 차이가 더욱 두드러졌다.
하지만 극초창기에는 숫자 진법을 변환하는 것조차 쉬운 작업이 아니었고, 정수가 아닌 부동소수점으로 가면 숫자를 표현하는 난이도가 더 올라갔다. 더구나 컴퓨터는 처음부터 포탄 탄도 예측, 풍동 실험, 일기예보 시뮬, 모의 핵실험처럼 천상 실수 연산이 잔뜩 필요한 과학 영역에서 쓰였다.

그러니 에니악 같은 컴퓨터는 10진법 기반으로 만들어졌다. 4비트를 한 자리로 묶어서 0~9를 표현하는 BCD 코드 기반이었지 싶다. 하지만 10진법 숫자를 처리하기 위해서 어차피 2진법 기반의 각종 논리 연산 회로를 구현해야 했을 것이고, 후대의 컴퓨터들은 얼마 가지 않아 native 2진법 기반으로 다 바뀌었다.

3. 튜링 완전

프로그램이 하드코딩된 고정된 변수가 아니라 메모리에 기록된 값을 토대로 또 임의의 위치의 메모리를 읽고 쓸 수 있고(= 배열, 포인터 등을 이용한 복합 자료형. 공간 확장),
런타임 때 결정되는 값의 조건에 따라 반복과 분기가 가능하다면 (= 시간 확장)
그런 계산 모델은 Turing-complete하다고 여겨진다. 즉, 단순 계산기를 넘어 뭔가 본격적으로 프로그래밍이 가능해진다는 것이다.
그 열악한 에니악조차도 설계 구조는 튜링 완전한 형태였다고 한다.

4. 프로그램 내장형

컴퓨터에게 시킬 작업을 변경하기 위해 매번 회로 배선을 뜯어고치고 바꾸는 게 아니라, 한 메모리에서 코드와 데이터를 일체로 내장시킨다. 이 개념까지 정립됨으로써 비로소 컴퓨터는 정말 유연하고 무한한 확장성을 지닌 물건으로 변모했으며, 컴퓨터에서 하드웨어와 별개로 '소프트웨어'라는 것이 존재할 수 있게 됐다.
또한, 메모리가 컴퓨터의 성능에서 차지하는 비중이 아주 커졌다. 프로그램을 메모리에다 처음으로 입력시킬 때는 과거엔 천공 카드 같은 불편한 매체가 쓰였지만, 나중에는 더 간편한 키보드로 대체됐다.

저 아이템들 하나하나가 그야말로 병아리가 알을 깨고 세상으로 나오는 급의 대격변이고 혁신이었다.
인류 역사상 이런 네 조건을 모두 만족하는 컴퓨터가 발명되고 등장한 지 아직 100년이 채 지나지 않았다. 자동차와 비행기의 역사는 100년을 넘었지만 컴퓨터는 아직 그렇지 않고 오히려 2차 세계 대전 이후 냉전 때부터 발전해 왔다.
그 짧은 기간 동안 컴퓨터가 인류 역사상 유례가 없이 세상을 바꿔 놓은 걸 보면.. 정말 전율이 느껴지지 않을 수 없다.

※ 메모리 계층

컴퓨터는 모름지기 정보를 다루는 기계이다. 그리고 앞서 언급했던 프로그램 내장 방식의 특성상, (1) 실행할 코드와 (2) 그 코드가 처리할 데이터가 모두 메모리에 담겨 있어야 한다. 쉽게 말해 정보를 담을 그릇이 필요하다.
그런데 컴퓨터가 취급하는 메모리라는 게 여러 종류가 있고, 이들은 속도와 용량, 단위 용량당 가격이 극단적으로 반비례하는 관계이다. 그렇기 때문에 종류별로 일종의 '메모리 계층'이 존재한다.

1. 레지스터(수십~수백 byte)

CPU 구성요소의 일부이다. 당연히 CPU 차원에서 최고속으로 직통으로 값을 읽고 쓸 수 있다.
현재 프로그램이 실행되고 있는 지점(메모리 위치), 수만 번씩 실행되는 for 문 loop 변수, C++ 함수의 경우 this 포인터, 산술 연산 명령에 쓰이는 피연산자와 연산 결과 같은 정~말 원초적인 값들이 이곳에 저장된다.
실행되는 스레드의 context가 바뀌면 레지스터의 값도 자기 상태의 것으로 바뀐다.

2. 캐시 메모리(수백 KB~수 MB)

CPU 자체는 아니지만 여전히 CPU의 연장선 격이며 접근 속도가 매우 빠르다. CPU가 사람 두뇌이고 레지스터가 손의 손가락이라면 캐시는 의수 정도는 된다.
얘는 CPU 속도와 메모리 속도의 격차가 커지면서 메모리로 인한 병목을 줄이기 위한 버퍼 차원에서 도입되었다.

캐시도 레벨 1, 레벨 2로 나뉘긴 하는데, 인텔 x86 CPU에서 제일 원초적인 L1 캐시는 80486 때 8K짜리가 도입된 것이 최초이다. 반대로 펜티엄 2이 나왔던 시절에 셀러론 프로세서는 L2 캐시를 제거하거나 용량을 팍 줄인 저가형 모델이었다.

3. 일반 메모리(수십 GB)

CPU의 외부에 있기 때문에 위의 것들보다는 느리지만, 그래도 보조 기억장치보다는 여전히 훨씬 빠르다. 이들 메모리는 전원이 끊어지면 내용이 다 지워지는 휘발성 메모리이다. 이제 신체 접근성으로 치면 의수를 넘어서 핸들과 버튼으로 따로 조작하는 로봇 팔과 비슷하다고 볼 수 있겠다.

4. 하드디스크(수 TB)

디스크부터는 보조 기억장치이기 때문에 이건 CPU의 명령만으로는 직접 접근조차 할 수 없다. 운영체제라는 소프트웨어가 구현해 놓은 파일 시스템에다 해당 운영체제 API를 통해 요청해야만 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 파일 시스템은 열고 닫는 상태를 따로 보관하고 관리해야 하며, 프로그램의 입장에서는 여는 작업이 실패하는 상황에 대한 대비가 필요하다.
사람으로 비유하면 내 손으로 뭔가를 직접 조작하는 게 아니라, 남에게 말로 부탁을 해서 간접적으로 뭔가를 요청하고 움직이는 형태가 된다.

그 대신 보조 기억장치는 전원이 끊어진 뒤에도 기록을 남기고 보존할 수 있다. persistency를 보장하려다 보니, 하드디스크는 컴퓨터에서 전자식이 아닌 기계식으로 동작하는 얼마 안 되는 부품 중 하나가 돼 있다. 플래시 메모리는 '일반 메모리'의 성격에 더 근접해 있는 기억장치이지만, 가격과 용량 문제 때문에 하드디스크를 완전히 대체하는 구도는 못 된다.

캐시 메모리에서 캐시 미스가 나서 더 느린 일반 메모리까지 내려가서 데이터를 가져오는 게, 아래의 운영체제의 가상 메모리 체계에서 페이지 폴트가 발생해서 디스크의 페이지 파일에서 데이터를 가져오는 것과 비슷한 구도이다. 메모리 공간 자체가 CPU의 일부는 아니지만, 보호 모드 가상 메모리 구현을 위한 주소 변환은 CPU 차원의 지원을 따로 받아서 이뤄진다.

메모리가 비싸고 귀하고 부족하던 옛날에는 가상 메모리라는 게 디스크를 메모리 보충분처럼 사용하는 메커니즘이기도 했다. 비록 속도는 안드로메다로 가 버리지만, 그래도 아예 안 돌아가는 것보다는 나으니 better late than never이다. 요즘 운영체제들은 memory mapped file이라고 디스크를 반쯤 메모리 다루듯이 포인터로 접근시켜 주는 API를 제공하는데, 가상 메모리를 구현하면서 내부적으로 구현된 기능을 사용자도 적절하게 활용하라고 떼어 준 것에 가깝다.

또한, 가상 메모리와는 별개 개념으로.. 레지스터와 메모리 사이에 '캐시 메모리'가 있듯이, 메모리와 디스크 사이에 '디스크 캐시'라는 계층이 존재한다. 이게 잡아먹는 메모리 양이 만만찮지만 도스 시절에 smartdrv 유틸로 수백 KB~2MB 남짓만 캐시를 잡았어도 체감 성능 향상 효과가 장난이 아니었다. 이거 없이 곧이곧대로 찔끔찔끔 디스크에 접근해서는 오늘날의 방대한 컴퓨터 시스템이 돌아가질 못한다. 그만치 메모리와 디스크 사이의 속도 격차 병목이 엄청나다는 뜻이다.

5. 자기 테이프(수백 TB~수 PB)

아주 극단적인 보조 기억장치이다. 느리고 랜덤(임의 위치) 접근이 안 된다는 엄청난 단점이 있지만, 용량이 가히 압도적이고 가격이 저렴하다. 그렇기 때문에 서버 전체 내지 매일 생성되는 방송국 동영상 같은 엄청난 양의 데이터를 오로지 백업· 보존만 할 목적으로 일부 연구소나 기업에서 테이프가 여전히 사용되고 있다. 마치 국제 화물 운송에서 선박이 차지하는 위상(느리지만 엄청난 수송량)과 비슷하고, 프린터계에서 도트 프린터의 먹끈 카트리지(원시적이지만 타의 추종을 불허하는 저렴함)와 비슷하다.

메모리야 컴퓨터 프로그램들이 맨날 하는 짓이 저걸 건드리는 것이고, 보조 기억장치는 파일을 읽고 쓰는 운영체제 API를 통해 사용 가능하다.
레지스터의 경우, C/C++ 언어에는 특정 정수 변수를 가능한 한 저기에 얹어 달라고 컴파일러에게 요청하는 register이라는 키워드가 있다. 함수에 inline이 있다면 변수는 저게 있는 셈이다. for문 loop 변수가 레지스터에 올라가면 좋다.
물론, inline 함수는 재귀호출을 해서는 안 되며, 레지스터 등재 변수는 주소 참조(단항 & 연산자)를 해서는 안 된다.

이렇게 타 메모리나 디스크나 레지스터와는 달리, 캐시 메모리만은 적중률을 올리기 위해 소프트웨어가 직접 접근하고 개입하는 방법이 딱히 존재하지 않는다. 멀티코어 병렬화를 위해서는 CPU 직통 명령인 인트린식 같은 것도 있는데 캐시는 활용 방식이 소프트웨어가 아닌 오로지 CPU의 재량인가 보다.
이렇게 존재감이 없음에도 불구하고 캐시 메모리의 양과 성능은 클럭 속도 다음으로 컴의 속도에 직접적인 영향을 끼치는 요인이다.

※ 인텔 x86

인텔 x86은 전세계의 PC 시장을 완전히 석권한 기계어 아키텍처이다. 애플 맥 진영이 x86으로 갈아탄 지 이미 10년이 넘었고, 슈퍼컴퓨터조차도 Cray 같은 슈퍼컴 전용 아키텍처가 진작에 다 망하고 x86이 코어 수를 늘려서 야금야금 파고들고 있다.

하지만 x86은 CPU를 만들던 기술과 방법론이 지금과 같지 않던 초창기, 특히 메모리 가격이 왕창 비싸던 시절을 기준으로 기반이 설계되었으며 16, 32, 64비트로 올라가는 과정에서도 하위 호환성을 잘 유지하고 있다. 그래서 넘사벽급의 범용성과 시장 경쟁력은 확보했지만, 내부 구조가 갈수록 왕창 지저분해지고 스마트폰용 ARM 같은 후대의 최신 CPU들의 유행과는 영 동떨어진 형태가 됐다.

  • 범용 레지스터 수가 유난히 매우 적음. R## 이렇게 수십 개씩 번호가 붙는 게 아니라 EAX EDX ESI EBP 등 꼴랑 8개로 끝인 건 x86이 예외적이고 특이하기 때문이다. 함수에다가 매개변수를 올리는 주 방식도 x86은 당연히 레지스터가 아닌 스택 기반이다. 이 때문에 컴파일러 백 엔드를 개발하는 방법론이 x86 타겟 계열과 타 아키텍처 계열은 서로 완전히 다르며, x86은 오늘날 컴공과에서 컴파일러 제작 교육용 교보재로 쓰이기에는 영 좋지 못한 타겟 아키텍처이다.
  • 메모리를 조밀하고 compact하게 쓰는 대신에, 디코딩이 복잡하고 더 어려운 CISC 가변 길이 방식으로 명령어를 기술한다. 한 인스트럭션으로 연산에다 메모리 조작까지 몽땅.. 이런 식으로 많은 지시를 함축하고 있는 편이다. 자동차 엔진으로 치면 회전수가 낮은 대신 실린더의 스트로크가 긴 디젤처럼..
  • machine word align이 맞지 않은 메모리 주소의 값을 fetch하는 것을 굉장한 비효율(여러 클럭수 소모)을 감수하고라도 CPU 차원에서 아무 문제 없이 잘 처리해 준다. 요즘 CPU 같았으면 그냥 예외 날리고 끝이었을 텐데.. 이 역시 메모리를 아끼기 위한 조치이다.

레지스터가 부족하면 나중에라도 더 보충하면 되지 않냐고?
레지스터는 추가로 더 꽂기만 하면 되는 메모리가 아니라 CPU 그 자체이다. 그걸 뒤늦게 확장한다는 건 CPU의 아키텍처, 세부 설계와 생산 라인이 다 바뀐다는 뜻이다. 컴파일러도 그에 맞춰 바뀌고 프로그램도 몽땅 다시 빌드되어야 추가된 레지스터 덕을 볼 수 있다. 사람으로 치면 가방 크기를 더 키우는 게 아니라 생물의 유전자 차원에서 손의 크기, 손가락 개수를 더 키우고 늘리는 것과 같은 엄청난 변화이다.

x86이 너무 지저분하다는 건 제조사인 인텔도 누구보다 잘 알고 있었기 때문에 과거 2000년대 초, 64비트 CPU를 내놓는 김에 애플처럼 하위 호환성을 싹 버리고 현대적인 디자인 트렌드를 따라 과감한 물갈이를 하려 했다.
마소 역시 새천년 Windows 2000에 맞춰 64비트 에디션을 당당히 내놓으려고 벼르고 있었다. Windows SDK 헤더 파일에서 INT_PTR, INT64 이런 typedef가 등장하고 GetWindowLong이 GetWindowLongPtr로 감싸진 게 이 시기의 준비 작업이었다.

하지만 모두의 예상을 깨고 IA64 Itanium라는 새 아키텍처는 CPU와 컴파일러 개발이 제대로 되지 않고 호환성도 안습했기 때문에 철저히 망하고 실패했다.
결국 지금은 기존 x86을 그대로 수용하면서 Itanium보다 훨씬 더 현실과 절충한 x86-64라는 다른 아키텍처를 기반으로 64비트 컴퓨터가 쓰이게 됐다. 이 아키텍처는 인텔이 아니라 경쟁사인 AMD가 최초로 개발했다.

Windows 2000은 과거 NT 3~4 시절에 지원했던 한물 간 구형 CPU들의 지원은 다 끊었고(Alpha, PowerPC, MIPS 등), IA64는 베이퍼웨어이고, 지금 같은 ARM이나 x64는 아직 안 나왔다 보니 NT로서는 이례적으로 사실상 x86 전용으로만 출시되어야 했다.

그런데.. 인텔 x86이 저렇게 메모리 아끼려고 CPU 본연의 효율까지 희생하면서 헝그리하게 설계된 건 과거 PC의 역사를 살펴보면 충분히 이해가 된다.
32비트 80386 CPU가 이미 1985년에 개발됐는데도 Windows NT, OS/2 같은 이상적인 32비트 운영체제의 도입과 보편화가 10년 가까이 너무 늦었고 Windows 9x 같은 요물이 몇 년간 쓰여야 했던 이유는 32비트 가상 메모리를 운용하고도 남을 정도로 컴의 메모리가 충분치(못해도 수~십수 MB) 못했기 때문이다. (CPU 말고 그래픽 카드는 1987년에 VGA가 개발되자 못해도 2~3년 안으로 프로그램들이 다 지원하기 시작함)

64비트로 넘어갈 때도 마찬가지다. IA64가 개발되던 1990년대 말엔 아직 가정용 컴의 메모리는 100~200MB대에 불과했다. 32비트를 벗어나야 할 이유가 전혀 없었다. 64비트 CPU는 대용량 데이터 처리 분야에서 속도가 좀 더 올라갈지는 모르지만, 같은 명령과 데이터를 수행하더라도 메모리 소모가 훨씬 더 많아지는 건 피할 수 없었다. 이러니 가정용 PC에서 64비트의 대중화는 Windows 2000/XP 시기는 어림도 없고, 본격적으로 램 용량이 4GB를 넘어선 2000년대 후반 Vista/7급은 돼서야 이뤄지게 됐다.

Posted by 사무엘

2017/12/11 08:31 2017/12/11 08:31
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  1. 비밀방문자 2017/12/11 18:28 # M/D Reply Permalink

    관리자만 볼 수 있는 댓글입니다.

    1. 사무엘 2017/12/13 00:42 # M/D Permalink

      우와.. 펫졸드 아저씨가 Windows 프로그래밍 책만 썼는 줄 알았는데,
      역시 올드 타이머 프로그래머답게 컴퓨터라는 기계가 밑바닥에서 처음부터 만들어져 온 과정을 고찰한 입문서도 몇 년 전에 썼구나?
      아주 흥미로운 내용일 것 같고 나도 책 내용이 궁금해진다? 우와아앙??

  2. 경헌 2017/12/12 19:17 # M/D Reply Permalink

    윗 댓글의 책이 뭘지 저도 알 것 같군요 ㅎㅎ
    오랜만에 생각난 김에 다시 한 번 읽어봐야 겠습니다.

    레지스터 - 캐시 - 메모리 - 디스크의 메모리 계층에서, 반드시 가격만이 용량을 결정한 요소인가 하는 의심이 들더군요.
    레지스터나 캐시의 경우에는 필요 이상으로 크게 만들면 어쩔 수 없이 속도가 떨어지게 되는 구조상 문제도 있지 않을까 싶어요.

    그리고 최근 들은 세미나에서, 미래의 아키텍처에서는 3. 일반 메모리와 4. 하드디스크의 경계가 희미해져 갈 것이라는 이야기를 들었습니다. SSD 에서 시작해서 비휘발성 메모리가 점점 싸고 빨라지고 있기 때문인데, 굳이 프로그램을 휘발성 고속 메모리에 올리고 실행할 필요 없을 정도로 빨라지고 나면 OS 수준에서 많은 것들이 달라지게 되지 않을까 이야기 하더군요.

    1. 사무엘 2017/12/13 00:49 # M/D Permalink

      하하! 경헌 님도 대단하십니다. ^^
      레지스터와 캐시는 제가 그 정도 본질까지 논할 수 있는 실력이 못 됩니다만, 일반 메모리와 하드디스크는.. 흥미롭네요. 일반 메모리의 속도와, 하드디스크의 비휘발성에서 일장일단이 아니라 두 토끼를 다 잡는 메모리가 나온다면 두 계층 구분이 당연히 사라지겠죠.
      SSD 때문에 전통적인 조각 모음이라는 게 의미가 없어졌듯이, 그런 미래의 모델에서는 memory-mapped file이라든가 디스크 캐시라는 것도 개념이 재정립될 듯합니다.

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