CPU가 하는 일

3 GHz 프로세서는 1초에 30억 번 박자를 맞춥니다. 한 박자가 3분의 1나노초입니다.

정보 수업 시간을 하나 떠올려 보세요. (지어낸 장면입니다.) 칠판에 번호가 붙은 칸 16개가 그려져 있고, 칸마다 비트 여덟 개가 적혀 있습니다. 학생 세 명이 CPU 역할을 나눠 맡습니다. 한 명은 PC 카드, 한 명은 IR 카드, 한 명은 ACC 카드를 들고 있습니다. PC 카드에는 0이 적혀 있습니다. IR을 맡은 학생이 0번 칸에 가서 거기 적힌 0001 1110을 자기 카드에 옮겨 적고, PC를 맡은 학생은 카드의 숫자를 1로 고칩니다. 반 친구들이 벽에 붙은 표에서 앞 네 비트 0001을 찾아보니 LOAD입니다. 뒤 네 비트 1110은 14입니다. 그래서 ACC를 맡은 학생이 14번 칸에 가서 7을 받아 적습니다. PC를 맡은 학생은 숫자 하나만, IR을 맡은 학생은 명령 하나만, ACC를 맡은 학생은 수 하나만 기억하면 됩니다. 그다음에는 1번 칸부터 같은 일을 처음부터 되풀이합니다.

1번 칸은 ADD 15라서 ACC가 7 + 5 = 12가 됩니다. 2번 칸은 STORE 13이고, ACC를 맡은 학생이 13번 칸에 12를 써 넣습니다. 3번 칸은 HALT이고, 세 명 모두 자리에 앉습니다. 모두 열두 번 움직였습니다. 세 학생 가운데 누구도 이 프로그램이 「7과 5를 더한다」는 것을 알 필요가 없었습니다. 저마다 작은 규칙 하나만 지켰을 뿐입니다. 칠판의 칸은 메모리, 세 학생의 카드는 레지스터, 벽에 붙은 표는 해독 회로에 해당합니다. 진짜 CPU도 똑같이 일합니다. 1초에 수십억 번씩 되풀이할 뿐이고, 그 안에서 프로그램 전체를 이해하는 부품은 없습니다.

1초에 수십억 번 도는 짧은 순환

게이트는 더하고, 비교하고, 고를 수 있습니다. 하지만 어떤 수로 어떤 순서에 따라 무엇을 할지는 누군가 알려 줘야 합니다. 그 일을 맡은 것이 중앙 처리 장치(central processing unit), 줄여서 CPU입니다. CPU는 짧은 순환 하나를 되풀이합니다. 프로그램 카운터(PC)라는 레지스터에는 다음 명령의 주소가 들어 있습니다. 인출(fetch) 단계에서 CPU는 PC가 가리키는 칸을 명령 레지스터(IR)로 읽어 오고 PC를 하나 옮깁니다. 해독(decode) 단계에서는 제어 회로가 연산 코드 비트를 보고 알맞은 길을 엽니다. ADD라면 덧셈기로 가는 길을, STORE라면 메모리에 쓰는 길을 이어 주는 식입니다. 실행(execute) 단계에서 실제 일을 합니다. 수를 불러오거나 더하거나 저장하고, 때로는 PC 값을 바꿔 프로그램의 다른 곳으로 건너뜁니다. 그러고 나면 순환이 처음으로 돌아갑니다. 칠판 앞의 학생 셋이 한 일이 바로 이 세 단계입니다. 명령 가운데 JZ는 누산기가 0일 때만 건너뜁니다. 이런 조건 건너뛰기가 있어서 프로그램이 판단도 하고 같은 일을 되풀이할 수도 있습니다.

장면은 수업 시간에 학생들이 몸으로 해 본 프로그램을 그대로 돌립니다. 「한 단계」를 누를 때마다 PC, IR, ACC가 카드와 똑같이 바뀝니다. LOAD 14, ADD 15, STORE 13, HALT의 명령 넷이 저마다 세 단계씩, 모두 열두 단계입니다. 곱셈 프로그램도 같은 명령 몇 가지만 쓰지만, 15번지의 셈이 0이 되기 전까지 JZ와 JUMP가 PC를 두 번 0으로 되돌립니다. 그래서 명령 24개를 72단계에 걸쳐 실행합니다. 덧셈 프로그램보다 명령이 여섯 배 많습니다.

프로그램은 수와 같은 메모리에 들어 있습니다

칠판에서 명령과 수 7, 5는 같은 줄의 칸에 함께 들어 있었습니다. 우연이 아닙니다. 1945년 6월 존 폰 노이만은 「EDVAC에 관한 보고서 초안」에서 명령을 데이터와 같은 메모리에 두는 컴퓨터를 설명했고, 그 뒤 컴퓨터는 거의 모두 이 방식을 따릅니다. 덕분에 할 일을 바꾸고 싶으면 회로를 고치지 않고 칸에 든 수만 바꿔 적으면 됩니다. 명령도 결국 비트를 몇 칸으로 나눠 읽는 수입니다. 이 장난감 컴퓨터에서는 칸마다 8비트가 들어갑니다. 앞 네 비트는 무엇을 할지 알려 주는 연산 코드(opcode)이고, 뒤 네 비트는 어느 칸을 쓸지 알려 주는 주소(address)입니다. 0001이 LOAD이므로 0001 1110은 「LOAD 14」, 14번지의 수를 CPU의 작업용 레지스터인 누산기(accumulator)로 가져오라는 뜻입니다.

순환은 얼마나 빨리 돌까

이 단계들은 클록 신호에 맞춰 움직입니다. 클록 신호는 일정한 빠르기로 켜졌다 꺼졌다를 되풀이하는 전압입니다. 3 GHz 클록은 1초에 3,000,000,000번 박자를 맞추므로 한 박자는 1 ÷ 3,000,000,000초, 약 0.333나노초입니다. 그동안 빛은 약 10센티미터밖에 못 갑니다. 한 박자에 한 단계씩이라고 치면, 장난감 컴퓨터의 7 + 5 프로그램을 1초에 2억 5천만 번 돌릴 수 있는 박자입니다. 실제 프로세서는 장난감 컴퓨터처럼 한 박자에 명령 하나를 통째로 끝내지 않습니다. 공장의 조립 라인처럼 여러 명령의 단계를 겹쳐서 진행하는데 이것을 파이프라인이라고 하고, 요즘 칩에는 코어(core)라고 부르는 완전한 프로세서가 여러 개 나란히 들어 있습니다. 장난감 컴퓨터에는 그런 장치가 하나도 없습니다. 그래서 손으로 한 단계씩 따라갈 수 있습니다.