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사진설명 : Intel 4004 (최초의 CPU)
*사진출처: intell.com
요즘 노트북이나 데스크탑 등의 컴퓨터를 구매하려는 사람들이 가장 먼저 관심있게 보는 부분은 어디일까?
아마도 그것은 CPU의 성능일 것이다.
물론 CPU의 성능이 컴퓨터 성능의 전부는 결코 아니지만, CPU를 기준으로 제품을 선택하는 이유는 대부분의 컴퓨터가 CPU의 성능에 따라 주변기기의 성능에도 차등을 두고 있기 때문이다.
그럼 컴퓨터를 선택하는데 가장 큰 기준이 되는 CPU란 무엇일까?
컴퓨터에 있어서 없어서는 안될 핵심 부품인 CPU라는 것이 어떻게해서 생겨났고 오늘날의 형태로 발전되어 왔는지 이 시간을 통해 알아보기로 하자.
CPU의 기능
컴퓨터를 늘 사용하는 사람들 중 의외로 많은 사람들이 컴퓨터의 내부를 본 적이 없거나 각 부품이 어떤 역할을 하는지 대해 자세히 모르고 있다.
때문에 컴퓨터의 구성과 그 안에서의 CPU의 작용을 먼저 알아보도록 하겠다.
컴퓨터는 크게 입출력장치, 연산장치, 제어장치, 저장정치, 출력장치로 구성이 되어있다.
여기서 CPU(Central Processing Unit)란 우리말로 해석을 해보면 중앙연산 처리장치가 되는데, 산술논리 연산장치(ALU)와 제어장치(CU)를 하나의 칩에 집적시킨 것이다.
산술논리 연산장치(Artihmetic-Logic Unit: ALU)라는 것은 컴퓨터의 가장 기본적인 기능으로써 입력장치에서 입력되는 2진의 데이터를 1초에 몇 번의 계산을 수행할 수 있는가를 빠르기로 나타낸다.
쉽게 말해 현재에 볼 수 있는 1MHz의 속도를 생각하면 1초 동안 1과 0을 엑세스 할 수 있는 횟수가 1,000,000번이라는 것이다. 따라서 요즘 나오는 2GHz의 CPU가 얼마나 대단한 것인지 상상할 수 있을 것이다.
제어장치(CU)가 하는 역할은 컴퓨터를 구성하는 각 부품들이 서로 충돌이 되지 않도록 조정을 해주는 것이다. 하지만, 최근 사양이 높은 CPU가 나오고 빠른 전송속도를 갖는 외부장치가 늘어남에 따라서 이 기능은 CPU의 부담을 덜어주기 위해 분산을 시키는 추세이다.
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사진설명 : 컴퓨터의 간단한 구조
그 밖에 CPU는 데이터의 입출력을 관장하거나 주기억장치로의 기능을 하는 등 흔히 사람의 뇌에 비유된다. 더 깊이 들어가면 글을 쓰는 필자도, 글을 읽는 독자도 머리가 지끈거릴게 뻔하니 CPU의 기능에 대해서는 여기서 줄이기로 하겠다.
마이크로프로세서의 탄생과 Intel
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CPU의 탄생은 어디서부터 시작되는 것일까?
CPU는 여러 장치들을 하나의 실리콘 칩에 담아 놓은 것이므로 집적기술의 발전과 함께 해왔다고 해도 과언이 아니다. 이런 의미에서 보면 1948년 벨 연구소의 John Bardeen과 Walter Barttain 등에 의해 개발된 트랜지스터와 이 후 개발된 직접회로는 CPU탄생의 초석이 되었다고 할 수 있다.
최초의 CPU는 1969년 일본의 계산기 회사인 비지컴(Busicom)에서 개발되었다. 작은 사이즈이면서도 프로그램이 가능한 계산기를 만들기 위해 당시 창립된 Intel에 의뢰하여 개발하게 된 4004이다.
원래 비지컴 측의 요구는 계산기에서 사용할 커스텀 칩을 제조하는 것이었는데, 당시의 신형계산기 담당의 Ted Hoff라는 사람이 보다 좋은 효과를 가진 범용 논리 디바이스를 고안한 것이 오늘날의 마이크로프로세서로 이어진 것이다. 당초 Federico Faggin, Ted Hoff 외에도 비지컴의 엔지니어인 Masatoshi Shima라는 사람도 개발 작업에 참여를 했다.
이 마이크로프로세서의 권리는 당초 Intel에 60,000 달러를 지불했던 비지컴에 있었지만 이 것의 가능성을 눈치 챈 Intel에서 권리를 다시 사들여서 1971년 11월에 독자적으로 1개당 200달러에 시판를 하게 된다.
이런 우여곡절 끝에 세상에 모습을 드러낸 4004는 2,250여 개의 트랜지스터가 집적되어 있었으며 세계 최초의 컴퓨터이자 진공관 18,000개가 내장된 ENIAC과 동일한 정도의 능력을 가졌다. 또한 108KHz로 동작하는 4bit의 프로세서로써 640 bytes의 메모리를 가지고 있었다. 1972년에는 여기서 발전된 형태인 4040이 출시 되는 등 이후 CPU의 모델이 되었다.
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여기서 잠깐 언급을 하고 넘어가야 할 것은 바로 bit개념이다.
286 컴퓨터부터 접했던 컴퓨터 1세대라면 “XX bit CPU를 갖춘 컴퓨터!~” 라는 말을 들어본 적이 있을텐데, bit라는 것은 쉽게 말해 컴퓨터가 데이터의 단위이다.
여기서 중요한 것은 8bit와 16bit의 CPU를 단순비교 할 때 보는 사람에 따라서는 8과 16의 단순한 2곱으로 생각 할 지도 모르지만, 실상 이것은 28과 216의 차이가 되기 때문에 2배가 아니라 28배가 되는 것이다.
당시 컴퓨터 학원이나 컴퓨터 동아리에서는 이를 이해하기 쉽게 8차선도로와 16차선 도로로 비유를 하고는 했는데, 계산상 나타나는 수치를 기초로 생각을 해보면 데이터 처리 속도의 차이를 느끼실 수 있을 것이다.
1972년 4월에는 최초의 8bit 마이크로프로세서인 8008이 발표된다.
약 3,200 여개의 트랜지스터로 구성되어 터미널 컨트롤러로써 사용된 8008은 약 500~800KHz의 클럭 스피드로 동작을 하였고 16KB의 메모리 공간을 갖고 있었다.
4040과 비슷한 특징을 띄는 반면 상이한 구성도 갖고 있었는데, 무엇보다도 뒤이어 등장하여 개인용 컴퓨터(PC)에 사용되는 8080의 초석이 되는 제품이라는 점에서 중요한 의미가 있다.
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8008에 뒤이어 1974년 4월에 8080이 출시되었다.
4004를 개발자인 Federico Faggin이 Intel을 떠나 Zilog라는 회사를 창업하기 전 팀장으로 개발에 참여한 마지막 모델이자 최초의 PC인 Altair에 채용되어 범용 CPU의 시장을 열어준 마이크로프로세서로 유명하다.
당시 미국인들에게 큰 사랑을 받은 TV프로인 “스타트랙”에서 등장하는 우주선인 엔터프라이즈호의 종착지에서 이름을 따온 것도 눈길을 끈다.
Altair의 성공과 함께 8080은 많은 개인용 컴퓨터에 장착되는 등 성공적인 모습을 보였는데, 개발자인 Federico Faggin은 “4004와 8008이 개척한 마이크로 프로세서 시장을 8080이 현실로 완성해줬다.”며 자평 할 정도였다.
특히 19세였던 빌 게이츠가 8080용의 BASIC을 개발하여 MITS사에 판매한 일화는 당시의 8080의 효용을 말해준다고 할 수 있다.
5,000여 개의 트랜지스터를 하나의 칩에 집적하여 8008의 약 10배 정도의 능력에 해당하는 2MHz의 클럭 스피드를 가진 8080은 40Pin CERDIP(Ceramic Dual In-line Package)라는 기판과 lead frame을 저융점의 유리로 봉합한 적층형으로 되어있으며, 차후 8080-A, 8080A-1, 8080A-2 등으로 발전해갔다.
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16bit CPU의 탄생
1978년에는 기존의 8bit 컴퓨터 시대를 종식시킬 최초의 16비트 CPU인 8086이 출시된다. 16bit로 연산을 실행하고 16bit로 데이터를 전송/수신하며 5MHz의 클럭 스피드로 동작하는 이 8086은 당시로선 “엄청나게 빠른!”CPU였다.
하지만 너무 앞서가는 것도 좋은 일만은 아니었다. 당시의 기술로는 8bit가 주류인지라 16bit의 데이터 버스를 가진 8086에 호환되는 메인보드를 비롯한 주변기기를 제작하기가 힘든 실정이었다.
그래도 29,000여 개의 트랜지스터를 집적 시킨 8086은 어떤 면에서 X86시리즈를 열어준 최초의 제품으로 볼 수 있으며, 이 때 비롯된 16bit의 집적기술은 차후 Pentium III의 탄생을 시키는 바탕이 되었다.
또한 이 제품으로 인해서 Intel은 자사의 CPU가 IBM PC에 사용되는 행운을 갖게 되는데, 이는 장차 IBM-PC가 세계 PC의 표준으로 자리를 잡아감에 따라 Intel도 CPU의 표준으로 자리를 같이 하게 되었기 때문이다.
그 이듬해인 1979년 출시된 8088을 8086의 저가 모델로 보는 사람도 많은데, 그 이유는 8086에서 16bit연산에 외부데이터 bus를 8bit로 내린 것과 보다 저렴한 가격에 공급했기 때문이다. 하지만 성능상에 있어서는 큰차이가 없었다.
5MHz~10MHz의 클럭 주파수를 가진 8088은 1981년 IBM XT(extended Technology)에 채용 되어 많이 쓰이게 된다.
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