CPU, GPU, 코어, 클럭에 대해 알아보자

Q. CPU와 GPU는 뭐고 무슨 차이가 있을까?

CPU (Central Processing Unit)

CPU는 컴퓨터의 두뇌로 범용적이고 복잡한 작업을 처리하는데 특화된 프로세서이다.

기능 및 역할

• 일반적인 컴퓨팅 작업 (운영체제 실행, 프로그램 구동 등)을 수행
• 순차적이고 논리적인 작업 처리에 최적화
• 단일 혹은 적은 수의 작업을 높은 정밀도로 처리

구조적 특징

• 코어수: 일반적으로 몇 개의 고성능 코어로 구성. 고급 CPU는 더 많은 코어를 포함한다.
• 클럭 속도: 높은 클럭 속도를 통해 작업을 빠르게 처리
• 캐시 메모리: 데이터 접근 속도를 높이기 위해 고속 메모리를 탑재

사용 사례

• 웹 브라우징, 문서 작업, 소프트웨어 실행 등
• 복잡한 연산이나 조건문 처리가 많이 포함된 작업

GPU (Graphics Processing Unit)

GPU는 그래픽 렌더링과 대규모 병렬 연산에 특화된 프로세서이다.

기능 및 역할

• 복잡한 그래픽 작업을 빠르게 처리
• 병렬 처리가 필요한 대규모 데이터 연산에 최적화
• 최근에는 딥러닝과 AI 모델 학습, 과학 시뮬레이션에도 사용

구조적 특징

• 코어 수: 수천 개의 단순 연산 코어로 구성
• 병렬 처리: 다수의 데이터를 동시에 처리하여 대규모 연산 속도 향상
• 메모리 대역폭: 고해상도 그래픽 처리와 병렬 작업을 위해 높은 메모리 대역폭 제공

사용 사례

• 그래픽 처리
• 인공지능 및 딥러닝 학습
• 데이터 병렬 처리가 필요한 과학 계산

CPU와 GPU 비교

특징 CPU GPU

목적	범용 컴퓨팅 작업	병렬 연산 및 그래픽 처리
코어 수	수 개 ~ 수십개 (고성능, 복잡한 코어)	수백 ~ 수천 개 (단순, 병렬 연산 코어)
속도	높은 클럭 속도 (GHz 단위)	낮은 클럭 속도 (병렬 처리로 보완)
병렬 처리 능력	제한적	매우 뛰어남
응용 분야	소프트웨어 실행, 논리 연산	그래픽 처리, AI 학습
전력 소비	상대적으로 적음	상대적으로 높음

따라서, 현대 컴퓨터 시스템에서는 CPU와 GPU가 서로 보완하며 작동한다.

CPU와 GPU는 서로 어떻게 보완하며 동작할까?

가정용 컴퓨터에서는 흔히 말하는 그래픽카드가 GPU이다. 많이 사용하는 애플 맥북으로 알아보자.

최신 맥북인 M4 Pro 칩은 Apple Sillicon 시리즈 중 하나로 특징은 다음과 같다.

1. 시스템 온 칩 (SoC, System on Chip)
   1. SoC는 CPU, GPU, 메모리, 네트워크, I/O 포트 등 여러 컴퓨터 시스템의 주요 기능을 하나의 칩에 통합한 것이다. 애플의 M 시리즈 칩은 Apple Silicon이라고 불리며, 이 칩은 CPU, GPU, Neural Engine, 메모리 등을 하나의 칩으로 통합하여 더 빠르고 효율적인 성능을 제공한다.
2. 14 코어 CPU (성능 코어 10개 및 효율 코어 4개)
   1. 성능 코어는 고성능 작업을 처리하는데 최적화한 코어이다. 무거운 작업을 병렬적으로 빠르게 처리하기 위해 사용하는 코어이다.
   2. 효율 코어는 전력 소비를 최소화하면서 일상적인 작업을 처리하는데 최적화된 코어이다. 웹 브라우징이나 이메일 확인 등 가벼운 단일 스레드 작업에서 효율적으로 사용되는 코어이다.
3. 20 코어 GPU
   1. 그래픽 연산을 담당하고 머신러닝 및 과학적 계산 등 다양한 작업에 활용된다.
   2. 하드웨어 가속형 레이 트레이싱을 지원하여 실시간 3D 그래픽을 더욱 현실감 있게 렌더링 할 수 있다.
4. 하드웨어 가속형 레이 트레이싱
   1. 레이 트레이싱은 3D 그래픽에서 빛의 경로를 시뮬레이션하여 현실적인 그림자, 반사, 조명 등을 생성하는 기술이다. 매우 높은 연산 능력이 필요하다.
   2. 게임과 고해상도 그래픽 작업에서 실시간으로 매우 정교한 시각적 효과를 처리할 수 있다.
5. 16코어 Neural Engine
   1. Neural Engine은 애플의 AI 및 ML 작업을 처리하는 전용 프로세서이다. AI 작업을 빠르고 효율적으로 처리할 수 있도록 설계되어있다.
6. 273GB/s 메모리 대역폭
   1. 메모리 대역폭은 시스템이 데이터를 처리할 수 있는 속도를 나타낸다.
   2. 대용량 데이터와 고속 데이터 전송을 지원하여 멀티미디어 작업에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.

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Q. CPU와 GPU를 말할때 빠지지않고 나오는 코어와 클럭은 어떤 의미를 가지는걸까?

코어 (Core)

코어는 CPU나 GPU에서 데이터를 처리하는 독립적인 연산 단위이다.

코어의 수는 프로세서가 동시에 처리할 수 있는 작업의 병렬성을 결정한다.

특징

1. 단일코어 (Single-Core)
   1. 한번의 하나의 작업만 처리 가능
2. 멀티 코어 (Multi-Core)
   1. 코어의 수가 많을수록 동시에 여러 작업(스레드)을 처리할 수 있어 멀티 태스킹 성능이 향상된다,
   2. 일반적인 가정용 CPU는 4 ~ 16개 코어를 가지며, 서버용 CPU는 수십개의 코어를 가질 수 있다.
3. 하이퍼스레딩 (Hyper-Threading)
   1. 하나의 코어가 두 개의 논리적 코어처럼 작동해 처리 효율을 높이는 기술
   2. 실제 코어의 수를 증가시키는 것은 아니지만, 병렬 작업 성능을 향상시킨다

코어가 많을수록 병렬처리가 중요한 작업에서 유리하다!

클럭 속도 (Clock Speed)

클럭 속도는 프로세서가 초당 처리할 수 있는 작업 수를 나타낸다.

단위는 GHz로, 1GHz는 초당 10억 번의 작업 주기를 의미한다.

특징

1. 클럭 속도가 높은 프로세서
   1. 한 코어가 더 빠른 작업을 처리할 수 있다.
   2. 순차적인 작업(싱글 스레드)에서 보다 더 뛰어난 성능을 발위한다.
2. 발열과 전력 소비
   1. 클럭 속도가 높아질수록 프로세서의 발열과 전력 소비가 증가한다.
   2. 오버클럭을 통해 클럭 속도를 인위적으로 높일 수도 있지만 냉각 장치가 필요하다.
3. 클럭 속도의 한계
   1. 클럭 속도가 높다고 무조건 성능이 뛰어난 것은 아니다.
   2. 코어의 수, 프로세서 아키텍처, 캐시 메모리 등도 중요한 성능 요소이다.

클럭 속도가 좋을수록 게임, 소프트웨어 실행, 브라우징 같은 단일 작업 처리가 빨라진다!

코어와 클럭 속도를 도로에 비유해보면,

• 코어: 도로의 차선 수. 차선이 많을수록 차량 병렬 이동이 가능.
• 클럭 속도: 도로에서 차가 달릴 수 있는 속도. 속도가 빠를수록 한 차선에서 더 많은 차량이 지나감.