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1차 캐시(L1 Cache)
컴퓨터의 모든 부품 중에 가장 빠른 것은 단연 CPU이다. 하지만, CPU가 아무리 빨라도 CPU는 들어오는 입력 데이터에 따른 명령만을 보내주는 것이다.
때문에 CPU의 성능이 제대로 발휘 되려면 이를 받아들이는 메인 메모리 또한 빠른 속도로 반응을 해야 하는데, 불행하게도 현재 메인 메모리로 사용되는 DRAM은 일반적으로 CPU에 비해 상당히 느린 속도에 머무르고 있어서 CPU의 명령실행 효율을 깎아 내리는 원인이 되고 있다.
이렇게 램을 비롯하여 주변기기의 데이타 처리 속도가 CPU의 속도를 따라오지 못할 경우 적잖은 문제가 발생한다. 즉 CPU가 연결된 주변기기에 처리된 명령을 보내준 뒤에는 새로운 데이터가 올 때까지는 할 일이 없기 때문이다.
이러한 이유로, CPU와 RAM사이의 속도편차에서 오는 효율저하를 보완하기 위해서 CPU는 내부 코어 바로 옆에 캐시(Cache)라는 작은 저장공간을 내장하고 있는 것이다. 1차 캐시는 Level 1 Cache를 줄여서 통상적으로 L1 캐시라고 말하는데, 이곳에는 데이터나 명령어가 저장되어 CPU내부에 포함되어있다.
L1캐시는 CPU와 같은 클럭 즉 같은 속도록 동작하며 메인 메모리를 거칠 필요가 없으므로 CPU가 데이터를 엑세스 할 때 가장 먼저 찾아보는 저장소 역할을 한다. 하지만 집적된 CPU의 내부에 존재하므로 작은 용량 밖에는 탑재할 수 없다는 단점이 있다.
2차 캐시(L2 Cache)
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2차 캐시도 1차 캐시와 같은 SRAM으로 이뤄져 있으며 하는 일 또한 비슷하다. 2차 캐시는 외부 캐시메모리라고도 불렸는데, 예전에는 1차 캐시와는 달리 CPU의 외부인 메인보드에 자리를 잡고 핀을 통해 데이터를 주고 받았기 때문이다.
하지만, 최근에 출시되는 프로세서는 거의 L2 캐시를 내부에 포함하고 있다.
2차 캐시에도 CPU에서 주로 사용되는 명령어와 데이터가 저장 되는데, CPU의 2분의 1정도의 속도로 동작하는데, CPU에서 데이터를 처리할 때 엑세스를 하는 순서는 1차 캐시를 로딩하고 없으면 2차 캐시를 찾고 거기서도 없다면 메인 메모리에서 로딩을 하는 순이다.
그러므로 일단 CPU에서 읽혀진 데이터는 재차 사용될 가능성이 높은 것으로 간주가 되어 우선 캐시에 저장이 되고 재차 사용될 때 메인 메모리를 로딩할 필요 없이 캐시에서 다시 꺼내 쓴다고 생각하면 되는 것이다.
그러면 캐시메모리는 용량의 왜 그리 작은 것일까? 또, 메인 메모리를 아예 SRAM으로 만들면 되는 것 아닐까?
그 이유는 당연히 비용의 문제라고 할 수 있다. SRAM은 DRAM보다 훨씬 고속으로 동작하하는 반면 가격 또한 비교할 수 없을 정도로 고가이다. 또한 고속이라고 할지라도 용량이 너무 작기 때문에 메인 메모리로는 사용이 적합하지 않은 것이다.
물론, 차후 용량이 큰 캐시 메모리를 만들 수 있다면 데이터처리는 지금보다 훨씬 빠르게 향상될 것이라는 점은 당연한 것이다.
한 가지 유의해야 할 점이 있는데, 캐시 메모리는 메인 메모리와는 다르게 CPU에 내장되어 있는 등의 이유로 유저의 임의적인 업그레이드가 불가능하다는 점이다.
참고적으로 일반 사람들이 싸구려 CPU로 잘못 인식하고 있는 셀러론(Celeron) CPU의 경우, 처음에는 PII에서 L2캐시를 떼어 제작 단가를 낮춰 저가형으로 내놓은 것이고 현재는 패키지에 내장은 되어있지만 Pentium4의 대응되는 사양보다 적은 용량의 캐시가 내장되어 있다는 점이 다를 뿐 나머지는 Pentium4와 동일하다.
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IHS(Integrated Heat Spreader) 히트 스프레더
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위의 그림에 있는 것은 모두 Pentium4(NorthWood Core) 프로세서로서 왼쪽은 데스크 탑용 프로세서이고 오른쪽의 것은 노트북에 사용되는 Pentium4-M프로세서이다. 외관상으로 보았을 때 어떤 차이점이 보이는가?
그렇다. 왼쪽의 데스크 탑용 프로세서는 코어를 덮고 있는 금속판이 있지만 오른쪽의 모바일 전용 프로세서에서는 아무 것도 없음을 알 수 있다. 그렇다면 데스크 탑용 프로세서에 있는 금속판은 무엇일까?
이것이 바로 IHS(Integrated Heat Spreader)인데, 프로세서가 구동함에 따라 Core에서 발생하는 높은 열을 분산시켜 주는 역할을 하는 장치이다. 직역을 해보면 “통합된 열분산기”가 되지만 흔히“히트 스프레더” 라고 부른다.
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사진설명 : IHS의 구조도
*출처: http://www.Intel.com
일단 그림을 보면 구리에 니켈도금을 입힌 금속물질의 IHS가 아주 작은 크기의 코어와 직접 접촉되어 열의 분산과 방출에 있어 최대한의 효율을 낼 수 있도록 설계되어 있다.
그리고 위쪽으로는 알루미늄 재질의 Heat-Sink와 직접 닿아 있어서 열의 방출을 극대화 하고 있다. 참고적으로, 코어의 바로 아래 녹색부분은 기판이 되고 기판 아래에는 소켓과 연결시켜주기 위한 니켈도금을 입힌 금 재질의 핀이 있다.
당연한 이야기가 될 수도 있지만 열의 방출 효과로만 본다면 IHS는 장착되지 않는 편이 발열 효율에 있어서는 더 유리하다. 코어부분에 직접 방열장치를 접촉시켜 열을 분산시키는 것이 훨씬 방열 효과가 뛰어나기 때문이다.
그럼에도 굳이 IHS를 장착하는 이유는, 방열장치가 잘못 부착되거나 이상이 생겼을 경우에 CPU에서 발생하는 높은 열을 면적이 작은 코어가 감당하다가 결국 타버리는 결과가 발생하기도 할 수 있기 때문이다.
바로 이럴 때 히트 스프레더는 열을 골고루 분산 시켜줌으로써 높은 열로부터 코어를 보호해주는 역할을 하기 때문이다.
또한 방열장치와 직접 접촉시키는 과정에서 코어가 깨지는 것을 방지하는 효과도 가져올 수도 있으며 Heat-Sink로 열을 골고루 분산시켜주는 효과도 낼 수 있게 되는 것이다.
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사진설명 : SONY VAIO의 신제품 V505에 사용된 방열장치
그런데 Mobile용 프로세서에서는 IHS가 장착 되어있지 않다.
이것은 PII의 Tualatin에서도 마찬가지였는데, 가장 큰 이유는 열 설계에 있어서의 효율을 생각 했기 때문이다.
IHS가 장착이 된다면 그만큼의 열저항을 생각해야 하며 이러한 요소들을 고려하여 최대한 IHS의 이점을 끌어내려면 충분한 공간이 확보되어야 한다. 하지만 노트북의 경우 어디 데스크탑과 같은 충분한 공간이 나올 수 있겠는가.
공간 활용이 용이한 데스크탑과는 달리 공간이 협소한 노트북에 IHS를 장착하게되면 오히려 방열 설계를 더욱 어렵게 만들기 때문에 모바일 CPU에는 IHS가 채용되어 있지 않다.
더군다나 노트북 프로세서는 기판이 작고 집적도가 더욱 높기 때문에 전력밀도와 열 방출에 더 큰 신경을 써야만 한다. 위의 그림은 이번에 출시된 SONY VAIO의 신제품 V505에서 사용된 알루미늄 특수합금 재질의 방열장치(히트 파이프)이다.
노트북을 비롯한 여타 디지털 기기에 대해서 좀 더 자세히 알려고 한다면 어느 정도는 공학적인 내용에서 어려움과 지루함을 느끼게 될 것이다.
하지만, 조금만 관심을 갖고 들여다보면 주변에서 많은 디지털 기기들이 동일한 원리를 가지고 있거나 같은 부품이 교차 사용되고 있는 것에서 적잖은 재미를 느낄 수 있을 것이다.
단순히 자신의 사용하는데만 집중할 것이 아니라 내노트북이 어떻게 만들여져 있으며 어떠한 원리로 동작하는지에 대해 조금만 관심을 갖는다면 오래지 않아 흥미진진한 지식들을 많이 얻게 될 것이라 확신한다.
컴퓨터 사용시 자주 등장하는 용어에 대한 정리는 다음 회에서 계속 이어질 것이다.
- 노트기어(red802@notegear.com)
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