CPU 아키텍처의 모든 것! [2]

중앙일보

입력

펜티엄Ⅲ를 빛낸 P6 마이크로 아키텍처

펜티엄Ⅱ는 500MHz를 끝으로 막을 내렸으며, 그 뒤를 이어 펜티엄Ⅲ가 등장했다. 펜티엄Ⅲ의 가장 두드러진 특징은 P6 마이크로 아키텍처 계열의 프로세서 가운데 가장 뛰어난 성능을 가졌다는 것이다.

펜티엄Ⅲ의 P6 마이크로 아키텍처는 동적 실행 성능, 다중 트랜잭션 시스템 버스, 인텔 MMX 미디어의 보강 등 보다 발전된 기능을 바탕으로 스트리밍 SIMD 익스텐션, 고성능 이미지 처리가 가능한 70가지 새로운 명령, 3D, 스트리밍형 오디오와 비디오, 음성 인식 응용 프로그램 사용 기능 등을 제공한다.

P6 마이크로 아키텍처 기술은 인텔 펜티엄 4의 넷버스트 아키텍처가 발표되기 전까지 사용되었다.

펜티엄Ⅲ는 P6 마이크로 아키텍처를 적용한 제품으로,
이전의 P6 마이크로 아키텍처 계열의 CPU에 비해 많은 성능 향상을 보였다.

펜티엄 4의 발판이 된 넷버스트 아키텍처

펜티엄Ⅲ의 후속 모델인 펜티엄 4는 지난 2000년 하반기에 출시된 인텔의 새로운 CPU이다. 펜티엄 4의 가장 큰 특징은 이전에 비해 핀 수가 늘어나고, 400MHz의 FSB를 채택했으며, 초기 모델의 경우 펜티엄Ⅲ에 비해 크기가 커졌다는 것이다. 하지만 무엇보다 큰 변화는 아키텍처가 달라졌다는 것이다.

인텔은 펜티엄Ⅲ에서 선보인 P6 마이크로 아키텍처를 지속적으로 개선해 가며 오랜 기간 사용했다. 펜티엄 4는 여기서 한층 발전된 넷버스트 아키텍처를 채택했다. 개발 당시 윌래밋(Willamette)이라는 코드명으로 부르던 넷버스트 아키텍처는 현재 2.0GHz 고클록 CPU에 적용되고 있다.

펜티엄 4

구 분

펜티엄III

217mm2

다이 크기

104mm2

0.18미크론

제조 공정

0.18미크론

4,200만 개

집적 트랜지스터 수

2,800만 개

423

핀 수

370

펜티엄 4는 펜티엄Ⅲ에 비해 트랜지스터와 핀 수가 상당히 많다.

넷버스트 아키텍처의 가장 큰 특징은 하이퍼파이프라인 테크놀로지(Hyper Pipelined Technology)라는 20단계의 파이프라인을 탑재하고 있다는 것이다. 이는 10단계의 파이프라인을 가지고 있는 이전의 펜티엄Ⅲ에 비해 2배 늘어난 수준이다. 슈퍼스칼라 아키텍처를 다룰 때 설명했듯이, 파이프라인이 증가되었다는 것은 병렬 처리시 그만큼 데이터 병목 현상이 없어진다는 것을 의미한다.

프로세서는 메모리로부터 실행 명령어를 불러오는 페치(Fetch) 과정과 이를 분석해 명령어의 형태를 구분짓는 디코드(Decode) 과정을 거치게 되며, 이를 통해 명령어를 인식하여 그 명령어를 프로세서의 어떤 유닛에서 처리할 것인지를 결정한다. 그리고 명령어 처리 유닛에 해당 데이터가 들어가면 유닛은 그 데이터를 처리해 결과를 계산하게 된다.

이 때 프로세서가 파이프라인화되어 있지 않다면 하나의 명령어와 데이터가 처리되는 동안(명령어마다 작업 사이클이 다르며, 이를 최대한 동일화한다는 개념에서 탄생한 것이 RISC 프로세서다)에는 다른 작업을 할 수 없다. 하지만 파이프라인화 구조에서는 명령어가 처리되는 도중에도 지속적인 페치와 디코드가 가능하여 프로세서의 여러 유닛이 항상 작업을 수행할 수 있게 된다.

이러한 파이프라인은 펜티엄의 슈퍼스칼라 아키텍처부터 도입되었으며, 파이프라인이 길어질수록(다단계로 세분화될수록) 특정 시간에 프로세서가 처리할 수 있는 작업량이 많아진다. 이 경우 각 유닛은 좀더 단순한 작업만 담당하게 되므로 작업에 필요한 시간이 자연히 줄어들게 되며, 결국 프로세서가 높은 클록으로 동작할 때에도 에러 없이 동작할 수 있게 된다. 결국 펜티엄 4에 채택된 20단계의 파이프라인은 각 유닛의 사용률을 최대한 높이고 클록 수를 보다 높이는 데 기여한다고 할 수 있다.

펜티엄 4

구 분

펜티엄III

4Kentry

분기 예측 테이블

512entry

펜티엄 4는 펜티엄Ⅲ에 비해 8배 커진 분기 예측 테이블을 가지고 있다.
분기 기록 테이블이 커지면 분기 예측에서 발생하는 오류를 줄일 수 있다.

펜티엄 4는 넷버스트 아키텍처라는 새로운 아키텍처를 채택하여
펜티엄Ⅲ에 비해 놀라운 성능 향상을 보인다.