컴퓨터 하드웨어 (22.07.06TIL)

견적을 맞춰보기 전에 PC의 각 부품들에 대해 세세하게 조사해보기로 했다. 이번 포스팅에서는 내가 필요한 PC를 구성하는데 꼭 필요한 하드웨어 요소들이 어떤 역할을 하는지, 스펙을 볼 때 어떤 부분을 유의깊게 보면 좋을지 알아볼 것이다. 순서는 다음과 같다.

CPU - 메인보드 - RAM - SSD - 그래픽 카드 - 파워 서플라이 - 케이스

 CPU

CPU의 역할

대부분의 사람들이 CPU가 컴퓨터의 두뇌역할(연산, 수행, 프로그램 실행)을 한다는 사실을 알고 있을 것이다. 하지만 컴퓨터의 두뇌 안에서 구체적으로 어떻게 데이터를 받아서 처리하고 있을까? 메커니즘을 간략하게 표현하면 아래와 같다.

입력장치에서 입력데이터(명령문)를 RAM에 받아온다. (데이터는 0100100 같은 이진수형태이다.)
RAM에서 입력데이터(명령문)을 가져온다(fetch)
명령문을 해독하고 실행한다.(decode, execute)
마더보드에 칩 형태로 꽂혀있고 다른 하드웨어와 상호 작용하여 컴퓨터 작동

이중에서 핵심은 fetch, decode, execute 세가지 기능이다. 이것들에 대해 자세히 살펴보자.

 

fetch : RAM에서 CPU로 사용할 데이터를 가져오는 작업

컴퓨터의 두뇌인 CPU는 계산속도는 굉장히 빠르지만 기억장치들에 비해 저장용량이 굉장히 작다. 따라서 처리해야할 데이터를 기억장치인 RAM에서 필요할때마다 그때그때 불러와서 처리하는게 효율적이다. 불러온 데이터는 CPU 내의 PC(프로그램 카운터)에 저장되고 그 다음 PC와 데이터(명령문)은 IR(지침 레지스터)에 배치된다. 다음 명령어의 데이터주소를 참조하기 위해 PC길이는 하나 증가한다. IR에 배치된 명령어는 해독(decoding)을 진행한다.

 

decoding : IR에 저장된 명령어를 해독하는 작업

fetch에서 IR로 배치된 명령어를 CPU가 명령해독기로 전달한다. 명령해독기에서는 명령어를 실행할 수 있는 코드로 변환한다. 변환된 코드는 그 후 CPU의 다른 부분으로 전달되어 작동을 준비한다.

 

execute : 실행

디코딩된 명령문은 CPU내의 작동이 될 목적지에 전송된다. 피연산자에 대한 명령어가 실행되고 결과는 타겟레지스터에 저장된다.(writeback). 이 레지스터는  이후 명령문에 의해 참조될 수 있다.

 

CPU 성능 지표

CPU의 핵심 기능에 대해 알아보았으니 다음으로는 견적을 짤때 참고할 수 있는 CPU의 성능 지표들을 알아보자.

 

코어

• 코어의 수 : cpu가 한번에 처리할 수 있는 작업의 수를 말한다. 예를 들어서 듀얼코어 프로세서(cpu)는 단일 칩에 있는 2개의 cpu를 말한다. 따라서 2개의 작업을 동시처리 가능하다. 같은 값이면 코어가 높은게 훨씬 효율이 좋다.
• 하이퍼 쓰레딩 : 물리적인 코어를 논리적으로 나눈 실행 단위를 쓰레드라고 하는데(원래 1코어 = 1쓰레드), 하이퍼 쓰레딩은 1개의 코어를 2개의 쓰레드로 나누어 2개의 코어 역할을 할 수 있게 만드는 기술이다. 하이퍼쓰레딩 지원유무를 확인하는게 유리하다.

~비트 운영체제 

• 프로세서는 한번에 처리가능한 한 개의 워드의 비트양에 의해 결정된다.
• 비트수가 높은 운영체제를 선택하는것이 성능이 좋을것이다.
• 프로세서와 프로그램의 비트가 맞아야 해당 비트로 데이터 처리가 가능

L2/L3 캐시

• 이전 포스팅에서 배웠듯이, CPU의 성능을 최대한 활용하려면 기억장치의 처리속도도 뒷받침 되어야 한다. 좋은 캐시메모리를 구비해야 하는 이유가 여기에 있다.
• L2 / L3 캐시는 CPU가 사용할 수 있는 속도가 빠른 캐시 메모리이다. 고성능의 출력을 원한다면 L2/L3의 유무를 확인하자

클럭(Hz)

• 프로세서의 작동속도이다. 1초에 몇번 디지털신호가 바뀔 수 있는지 확인할 수 있다. 이전 포스팅에서 기억나는 내용을 클럭과 컴퓨터의 성능에 엮어 보자면 앞서 배운 컴퓨터의 기본 소자인 게이트중 순차논리회로에서 플립플랍과 연관지을 수 있을 것 같다. 동기식 플립플랍은 컴퓨터의 클럭에 맞추어 게이트의 상태를 변경하는데, 1초당 더 많이 상태를 변경할수 있다는 말은 더 정확하고 빠르게 데이터를 처리할 수 있다는 말이기 때문이다.
• 제품간 클럭차이가 굉장히 크면 코어에서 차이가 나도 성능에서 우위를 점할 수 있다.

메인 보드

메인보드의 기능

• 하드웨어(CPU, RAM, ssd…, GPU)를 이어주는 전자회로 기판이다. 
• 확장슬롯에 카드(작은 보드)를 붙여 기능을 추가할 수 있다. 거의 모두가 알고있는 그래픽 카드도 이 카드의 일종이다.
• 일련의 소켓, I/O가 있어서 케이블 통신이 가능하다.
• 메인보드의 경우에는 부품들간의 호환성을 중점으로 구매를 고려하는게 좋다. 성능에 큰 영향은 주지 않는다.

부착 가능한 카드

• 그래픽 카드
• 사운드 카드
• 네트워크 카드(NIC)
  • 네트워크 카드, 어댑터, LAN어댑터, NIC가 될 수 있다.
  • 네트워크 통신을 가능하게 해주는 카드
• 포트
  • 메인보드와 입출력 하드웨어를 연결(인터페이스)하는 커넥터
  • 단위시간당 포트를 통해 전송할 수 있는 데이터 양 : 대역폭
• USB(Universal Serial Bus)
  • 주변 장치의 연결을 표준화해서 통신과 전력공급을 한다.

RAM

직전 포스트에서 주 기억장치에 RAM과 ROM이 존재한다는 것을 배웠다. 근데 ROM(ssd, hdd)가 훨씬 저장용량이 큰데 왜 RAM을 굳이 써야하나?하는 의문점이 있었다. 우리는 왜 RAM을 써야할까. 

ROM과 비교되는 RAM의 특징

• 굉장히 빠르다. 엄청나게 속도차이가 크다. 만약 하드디스크로 RAM의 역할을 대체한다면 게임은 꿈도 꾸지 못한다고 한다.
  • 그래서 우리는 RAM과 ROM을 분리해서 쓴다.
• RAM에는 저장하지 않고 빨리빨리 실행해야 하는 모든 프로그램이 위치한다. 사실상 화면 상의 모든 프로그램은 RAM안에 존재한다고 생각하면 편하다.
• ROM에는 저장해서 계속 보관할 프로그램을 위치시킨다. 한글에서 작업하는 문서는 RAM에, 저장을 누르면 ROM에 저장된다고 기억하자.
• 사실상 우리가 실행하는 모든 프로그램이 RAM에 위치하므로 좋은 RAM을 구비해야 하는 이유로 충분하다.

RAM의 성능지표

용량을 먼저 떠올리겠지만 그것보다 더 중요한게 있다. 메모리의 직접적인 성능인 3요소이다.

• 메모리 레이턴시
  • 메모리에 있는 데이터에 대한 요청부터 검색 완료될 때까지의 접근 시간으로 참조 시간, 대기 시간, 지연 시간이라고도 부른다.
  • 단위는 초단위 또는 클럭 단위
• 메모리 대역폭
  • 단위 시간 동안 메모리의 데이터를 읽기, 쓰기, 저장할 수 있는 처리량을 의미한다.
• 레벨 병렬 처리(MLP)
  • 프로세서들이 멀티쓰레딩(SMT)가 가능헤지면서 쓰레드 개수만큼 메모리에 동시 접근이 가능해졌다. 병렬처리 기능을 통해 얼마나 빠르게 데이터를 처리할 수 있는지를 MLP를 통해 판별할 수 있다.

HDD / SSD

우리가 평소에 익숙한 하드디스크와 SSD의 차이를 살펴보자.

HDD와 SSD의 데이터 저장 방식

• HDD : 회전하는 디스크 플래터를 사용해서 정보에 액세스한다. 디스크 플래터는 lp판을 생각하면 편하다. 침이 회전하는 디스크위의 굴곡을 읽으면서 데이터를 읽어낸다.
  • 원하는 정보를 찾으려면 올바른 방향으로 회전할때 까지 기다려야 된다. (굉장히 느리다)
• SSD : 스마트폰과 마찬가지로 플래시 메모리 칩에 데이터를 저장한다.
  • 메모리칩 전체를 동시에 액세스 할 수 있다. (굉장히 빠르다.)

HDD와 비교한 SSD 장점

• 움직일 필요 없음
  • 고장 적다. (내구성 좋음)
• 속도
  • HDD에 비해 놀랄만하게 빠르다 (메모리칩 전체에 동시 접근이 가능하므로)
  • 랜덤 접근 시간이 마이크로 초이다. >> 굉장히 빠르다.
• 이동성
  • HDD보다 작고 가볍다. 훨씬 가벼운 모바일기기 만듦
• 낮은 고장률
  • HDD에 비해 오작동률이 훨씬 작다.
  • SSD를 올바른 경로로 유지하는 ECC(오류 수정 코드)와 같은 광범위한 재료 개선 및 기능 때문
• 크기 및 설계
  • 모듈화가 되어 있어 칩의 수와 배열 방식에 따라 다양한 모양과 크기로 제공가능. 엄청나게 유연한 스토리지 이다.

ssd 의 성능지표

• 디스크 타입
  • 2.5형 : 가장 대중적인 ssd이고 SATA3를 사용해 케이블로 메인보드와 연결한다. ssd중에서는 가장 평범하고 보편적인 디스크 타입이다.
  • M.2형 : 차세대 SSD로 기존 SATA3의 속도를 월등히 뛰어넘는다. 메인보드에 ssd를 직접 부착하는 개념이기 때문에 이를 지원하는 메인보드는 많지 않은 편이므로 주의해야 한다. 고성능과 케이블 없는 깔끔한 PC를 원한다면 이를 추천한다.
• DRAM 유무 : 있는게 속도가 훨씬 빠르다. 없는 경우 HDD보다 느린 일부 SSD도 존재한다.
  • 단 NVMe 1.2부터는 디램리스 ssd에 HMB(Host Memory Buffer)가 도입되었다. 간단히 말하면 SSD가 시스템 CPU에서 DRAM 메모리의 일부를 사용하는 기술. 하지만 SSD내부에 DRAM이 존재하는게 가장 빠르다.
• 디스크 용량 : HDD에 비해 굉장히 가격이 비싸기 때문에 필요한 양의 용량을 정해서 하드디스크와 잘 섞어서 쓰는게 유리하다.
• 메모리 타입
  • TLC, MLC, SLC 세 종류가 존재한다. 1개 셀의 몇개의 비트가 들어가는지를 의미하고 순서대로 3개, 2개, 1개의 비트가 들어간다. 셀당 비트가 많을수록 셀안에 많은양을 저장해야되기 때문에 작업속도가 느리고 수명이 짧다. 그래서 가격도 더 싸다.
  • 따라서 보통 일반 저가형 PC에는 TLC를 사용하고, 어느 정도 고성능 PC에는 MLC, 서버 관리용 컴퓨터에는 SLC를 쓰는 게 현명하다.
• 읽기 속도, 쓰기 속도 : 초당 데이터를 저장하는 용량을 의미하고 높을수록 빠르다.

그래픽 카드

메인보드에서 다양한 카드들을 살펴보았다. 각각의 카드들은 컴퓨터와 특정 출력장치를 연결하는 역할을 한다. 그래픽 카드의 경우엔 이름에서 알 수 있듯이 모니터와 컴퓨터를 연결한다. 그래픽 카드의 기능은 다음과 같다.

그래픽 카드의 기능

• 컴퓨터의 디지털 데이터(011010.. 기계어)를 디스플레이 장치신호로 변환하는 커넥터(VGA, DVI, HDMI)를 이용해 그래픽 카드와 연결한다.
• 자체 프로세서 (GPU, RAM(GDDR))을 보유.
• 처리 중인 텍스처와 이미지를 저장한다.

그래픽 카드 구매시 주의점

• 전원 공급장치, 마더보드 및 PCI 슬롯을 확인해서 그래픽 카드와의 호환성을 확인한다.
• 그래픽카드 사이즈
  • 메인보드에 들어가는지 확인!
  • 최근 모델들은 두 개의 PCI-e슬롯 공간이 필요하다.
• 전원공급장치
  • 선택한 모델에 따라 그래픽 카드는 에너지 소비자로 전용 전원 커넥터를 가지고 있다. >> 에너지를 제공하는 소스가 필요하다.
  • 가장 강력한 그래픽에 사용할 수 있는 6/8 핀의 연결 수에 주의해야 한다.
• 다른 구성요소 또는 시스템이 포함된 그래픽 카드
  • 그래픽 카드만 고려할게 아니라 메모리, 프로세서(cpu)도 균형을 맞춰서 사야된다.
  • 모니터도 맞춰서 사야된다. 안그러면 병목현상이 발생한다.
    • 1080p 모니터에 4k가 지원되는 그래픽카드를 써봤자 성능을 다뽑아내지 못한다.

그래픽 카드의 성능지표

• CUDA 코어의 TFLOPS 또는 작동 속도 / 주파수
  • CUDA : GPU내의 프로세서이다. CPU의 코어와 비슷한 개념이어서 높을수록 효율이 좋다.
  • TFLOPS : 초당 부동소수점 연산이라는 의미이다. 장치가 1초동안 수행할 수 있는 부동소수점 연산의 횟수를 기준으로 삼는다. 아마 플립플롭의 플롭을 따온듯 하다. TFLOP은 테라(1 x 10^12) 플롭이다.
  • 같은 세대내에서 비교해보면 모델의 성능수준을 비교해 볼 수 있다. 높을수록 성능이 훌륭하다. 

• 메모리의 양과 종류
  • VRAM의 유형과 대역폭이 큰지를 살펴보라.
  • 단 4K 텍스처를 원하는 경우 VRAM을 우선순위에 고려하자.
  • HBM vs GDDR
    • HBM : 차세대 메모리로 성능면에서 GDDR 메모리를 압승하지만 아직까지는 고가인 탓에 고성능 PC를 원한다면 HBM VRAM을 쓰자.
    • GDDR : 기존부터 활용하던 메모리로 저가형 그래픽 메모리이다.
• TDP(Thermal Design Power)
  • 장치의 발열 관련 표시 단위이다. 높을 수록 전력도 많이 소모하고 발열관리도 그에 맞춰서 신경써주어야 한다. 
  • 전력 최대 소비량, 오버클록 가능성을 확인하고 견적 맞추는데 참고할 수 있다.
• 그외에 허용 가능한 최대 해상도, 듀얼 모니터 가능한지, 모니터 용량을 참고해서 구매하는게 좋다!

파워 서플라이

하드웨어 전체에 전력을 공급하는 전원역할을 한다. 정격출력과 출력효율을 고려해서 제품을 선정한다.

정격출력, 출력 효율

• 정격 출력
  • 파워가 일반적인 AC(교류)를 DC직류로 바꿀 때 안전하게 계속 내보낼 수 있는 출력의 상한선
  • 흔히 파워를 보면 볼 수 있는 700W 800W를 의미한다.
• 출력 효율
  • 출력 전력량 / 입력 전력량을 백분율로 나타낸 것을 의미한다.
  • 보통 정격 출력의 30%~50%구간에서 좋은 출력 효율을 보여준다.
• 둘중 무엇을 우선시해야 될까?
  • 부품들 (CPU, GPU, RAM, ssd)조합에 따라 정격출력을 계산하자. + 전력효율까지 하면 좋다.
  • 정격 출력의 30~50%구간의 부품들 전력이 위치하면 best
  • https://seasonic.com/wattage-calculator 을 참고해서 정격출력을 계산할 수 있음.
  • 단 구성부품의 전력 소비량이 높다면 정격출력을 우선으로 따져라.

케이스

케이스에 대해서 고려할 점은 두 가지이다. 메인보드와 호환이 되는 사이즈인지, 간지가 나는지

메인보드와 호환성 체크

호환성 관련해서 체크해볼 내용은 다음과 같다.

• 지원 사이즈, 하드 장착 개수, USB포트 지원유무
• 케이스 사이즈 : 미니타워, 슬림타워, 미들타워, 빅타워로 구분한다. 메인보드와 파워서플라이 규격을 참고하여 케이스의 사이즈를 선정하한다.

부품별 규격 및 사이즈표

케이스 규격 - 사이즈 표

• 튜닝은 가능한가?
  • 수냉쿨러, LED팬 장착을 위한 사이즈 체크는 필수이다. 이런 요소들이 추가로 장착 가능한지도 확인해봐야 한다.
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마치며

이번 포스팅을 통해 내가 원하는 컴퓨터의 견적을 맞출 수 있는 특별한 안경을 얻었다. 다음 포스팅에는 내가 원하는 컴퓨터의 목적을 알아보고, 그에맞는 사양을 검토한 뒤 컴퓨터의 스펙을 맞춰볼 예정이다.