메모리 계층 구조 (memory hierarchy)

배경

컴퓨터 시스템을 효율적으로 운영하기 위해서는 다양한 종류의 기억장치를 적절하게 활용하는 것이 필수적입니다. 기억장치는 속도, 용량, 가격 측면에서 다양하며, 각각의 특성을 이해하고 이를 효과적으로 활용하는 것이 중요합니다. 이번 포스팅에서는 CPU 내부 기억장치와 외부 기억장치의 특성과 이를 적절히 활용하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

 

 

구성요소

컴퓨터 기억장치는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다: CPU 내부 기억장치와 CPU 외부 기억장치입니다.

 

CPU 내부 기억장치

CPU 내부 기억장치는 다음과 같은 특성을 가집니다

• 고속: 연산 속도가 매우 빠릅니다. 이는 CPU와 직접 연결되어 데이터를 빠르게 주고받을 수 있기 때문입니다.
• 저용량: 용량이 상대적으로 적습니다. 이는 고속 처리를 위해 많은 데이터를 저장할 필요가 없기 때문입니다.
• 고가: 단위 용량당 가격이 비쌉니다. 고속 메모리를 제조하는 비용이 많이 들기 때문입니다.
• 휘발성: 전원이 꺼지면 저장된 데이터가 사라집니다. 이는 주로 작업 중인 데이터를 임시로 저장하는 용도로 사용되기 때문입니다.

CPU 내부 기억장치의 대표적인 예로는 레지스터, 캐시 메모리 등이 있습니다. 이들은 CPU의 연산 속도를 최대한 끌어올리기 위해 사용됩니다.

CPU 외부 기억장치

CPU 외부 기억장치는 다음과 같은 특성을 가집니다

• 저속: 내부 기억장치에 비해 속도가 느립니다. 이는 CPU와의 물리적 거리가 멀어 데이터 전송 속도가 느려지기 때문입니다.
• 고용량: 용량이 큽니다. 대량의 데이터를 저장하고 관리할 수 있습니다.
• 저가: 단위 용량당 가격이 저렴합니다. 대용량의 데이터를 경제적으로 저장할 수 있습니다.
• 비휘발성: 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않습니다. 이는 영구적으로 데이터를 저장하는 용도로 사용됩니다.

CPU 외부 기억장치의 대표적인 예로는 하드 디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 광디스크 등이 있습니다. 이들은 대용량의 데이터를 저장하고 필요 시 불러오는 역할을 합니다.

 

 

기억장치의 효과적인 활용 방법

각 기억장치의 특성을 잘 이해하고 이를 효과적으로 활용하는 것이 중요합니다. 

1. 속도 최적화: CPU 내부 기억장치는 연산 속도를 높이기 위해 사용됩니다. 자주 접근하는 데이터는 캐시 메모리에 저장하고, 연산에 필요한 데이터는 레지스터에 저장하여 빠르게 처리할 수 있도록 합니다.
2. 용량 최적화: 대용량의 데이터는 CPU 외부 기억장치에 저장합니다. 이는 대량의 데이터를 경제적으로 저장하고 관리할 수 있는 방법입니다. 또한, 필요한 데이터만을 불러와 메모리를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
3. 가격 최적화: 고가의 내부 기억장치는 필요한 만큼만 사용하고, 나머지 데이터는 저가의 외부 기억장치에 저장합니다. 이를 통해 비용을 절감하면서도 효율적인 시스템 운영이 가능합니다.
4. 휘발성/비휘발성 특성 활용: 작업 중인 데이터나 임시 데이터는 휘발성 메모리에 저장하여 빠르게 처리하고, 중요한 데이터나 영구적으로 저장해야 하는 데이터는 비휘발성 메모리에 저장합니다.

 

발전단계

메인 메모리에 주로 사용하는 RAM은 전원을 켜고 있을때는 데이터 저장 및 사용이 가능하지만 전원이 꺼지면 사라지는 휘발성 기억장치입니다. ROM은 비휘발성 메모리로 한번 저장한 데이터를 빠른 속도로 읽어낼수 있는 장점이 있으며, 컴퓨터의 바이오스, 임베디드 등에서 활용이 되는 메모리 입니다.

RAM 발전단계

SRAM, DRAM → SDRAM → DDR → DDR2,3,4 → LP DDR

1. SRAM (Static RAM): Cache 메모리로 사용, 속도 빠름, 6레지스터
2. DRAM (Dynamic RAM): 주기억장치 (main meomry)로 사용, system clk에 맞추어 (동기화) 수행되는 DRAM
3. SDRAM (Synchronous Dynamic): 주기억 장치, 1 트랜지스터 + 1 커패시터
4. DDR2,3,4 (Double Data Rate): 데이터 전송속도를 2배로 높임, double pumping 동작 수행
5. LPPDR (Low Power): 저전력 구현, green IT 대응

ROM 발전단계

Mask ROM → PROM → EPROM → EEPROM → Flash ROM

1. Mask ROM (Masking): factory에서 masking해서 release
2. PROM (Programming): 한번만 프로그래밍 가능
3. EPROM (Erasable): 자외선으로 erase, CMOS, 임베디드에 사용
4. EEPROM: 전기적으로 Erase 가능, 임베디드에 사용
5. Flash ROM
   1. NOR 형: 병렬 형태의 셀 즉 메모리의 random access가 가능하여 프로그램을 직접 실행시킬 수 있다.
   2. NAND 형: 직렬 형태의 셀 즉 메모리가 page/block + Offset 단위로만 접근이 가능한 구조, 따라서 적재된 프로그램을 실행하기 위해서는 RAM으로 복사하여 실행, 임베디드에 사용