메모리와 저장 장치

32비트 주소로 프로세서가 가리킬 수 있는 바이트는 4,294,967,296개, 정확히 4 GiB입니다. 전원을 끄면 RAM은 그 내용을 모두 잊습니다.

「내 노트북은 메모리가 16 GB니까 사진을 16 GB까지 넣을 수 있다.」 이 문장은 서로 다른 두 부품을 하나로 헷갈린 말입니다. 노트북 광고를 보면 이유가 보입니다. 크기가 두 가지 적혀 있습니다. 예를 들어 메모리 16 GB, 저장 장치 512 GB처럼요. 메모리, 다른 말로 RAM은 CPU가 바로 지금 쓰고 있는 프로그램과 데이터를 담습니다. 저장 장치는 SSD(solid-state drive)나 예전의 하드 디스크를 말하고, 전원을 꺼도 파일을 지킵니다. 사진은 512 GB 쪽에 저장됩니다. 16 GB는 사진을 열어 고치는 동안 잠시 올려 두는 작업 공간입니다.

전원이 꺼지면 RAM이 내용을 잊는 까닭

대부분의 RAM은 비트 하나하나를 아주 작은 전하로 저장합니다. 이 전하는 1초에도 여러 번 다시 채워 주지 않으면 새어 나가기 때문에, 전원이 꺼지면 RAM의 내용은 모두 사라집니다. 이것이 「휘발성」이라는 말의 뜻입니다. 밤늦게 수행평가 보고서를 쓰다가 노트북 배터리가 다 되어 꺼졌는데, 저장하지 않은 마지막 두 문단이 사라졌다고 해 봅시다(지어낸 예입니다). 그 두 문단은 RAM에만 있었고, 저장 장치에는 아직 한 글자도 쓰이지 않았습니다. 저장 장치는 전원이 없어도 데이터를 지킵니다. SSD는 플래시 메모리 칸에 전하를 가둬 몇 년씩 지키고, 하드 디스크는 빙빙 도는 원판 위에 자기를 띤 점으로 비트를 기록합니다. 저장 장치는 RAM보다 훨씬 크고 바이트당 값도 싸지만 데이터에 닿는 데 훨씬 오래 걸립니다. 그래서 프로그램은 실행되기 전에 저장 장치에서 RAM으로 복사됩니다. 앱 화면에 「불러오는 중」이 떠 있을 때 일어나는 일이 이 복사입니다.

CPU가 수십억 바이트 가운데 하나를 찾는 방법

메모리는 긴 줄로 늘어선 칸이고, 칸마다 바이트 하나가 들어 있습니다. 칸에는 0부터 시작하는 번호가 붙어 있는데 이것이 주소입니다. 아파트 우편함에 호수가 붙어 있는 것과 비슷합니다. 읽거나 쓸 때 CPU는 전선 묶음에 주소를 실어 보내고, 그 칸에 든 바이트를 돌려받습니다. 주소가 몇 비트인지에 따라 닿을 수 있는 메모리의 양이 정해집니다. 장난감 컴퓨터처럼 주소가 4비트면 2의 4제곱 = 16칸입니다. 16비트면 65,536칸입니다. 32비트면 4,294,967,296바이트, 정확히 4 GiB이고, 예전 32비트 시스템이 RAM을 4 GiB보다 많이 쓰지 못한 까닭이 이 한계입니다. 요즘의 64비트 프로세서는 이보다 훨씬 많은 칸을 가리킬 수 있습니다.

메모리 칸은 자기 안의 비트가 무슨 뜻인지 모릅니다. 장난감 컴퓨터의 데이터 칸에 든 00000100은 수 4이지만, 같은 비트를 명령으로 읽으면 HALT 4가 됩니다. 둘 가운데 어느 뜻인지는 CPU가 그 칸에 어떻게 닿았느냐로만 정해집니다. 다음 명령으로 읽었는지, 어떤 명령이 가리킨 데이터로 읽었는지가 기준입니다. 명령과 데이터를 한 메모리에 두자는 폰 노이만의 생각에서 바로 나오는 결과입니다. 엉뚱한 주소에 값을 써 버리는 버그 하나가 프로그램 전체를 망가뜨릴 수 있는 이유도 여기에 있습니다.

아래층으로 갈수록 크고 느립니다

빠른 메모리는 비싸기 때문에 컴퓨터는 메모리를 여러 층으로 나눠 씁니다. 회로에 가장 가까운 층은 레지스터입니다. CPU가 바로 다루는 값 수십 개가 들어가고, 장난감 컴퓨터의 누산기도 여기에 속합니다. 그다음 층은 캐시입니다. 프로세서 칩 위에 있는 작고 빠른 메모리로, 흔히 L1, L2, L3이라고 부르며 최근에 쓴 RAM 부분의 사본을 둡니다. 그 아래가 RAM, 그 아래가 SSD나 하드 디스크이고, 더 멀리에는 네트워크가 있습니다. 한 층 내려갈 때마다 더 커지고 더 느려집니다. 책상 위, 책가방, 교실 사물함, 학교 도서관 순서로 생각하면 쉽습니다. 프로그램에 필요한 것이 대부분 위쪽 층에 이미 있으면 프로그램이 빨리 돕니다. 그래서 데이터를 처음부터 차례대로 읽는 편이 여기저기 건너뛰며 읽는 것보다 대개 빠릅니다.