애플 M1 칩, 그리고 컴퓨터 기본 구조
[ 최근 수정일 : 2022.03.11 ]
애플 M1 칩은 컴퓨터 시스템 통합에 필요한 중앙처리장치(CPU), 그래픽 처리장치(GPU), 머신러닝에 특화된 뉴럴엔진, 그리고 메모리(RAM)를 통합한 칩입니다. 작고, 얇으며, 가벼우면서도 강력한 성능을 발휘합니다. 저전력 설계로 전력의 소모가 적으며, 열이 적게 발생된다는 것도 애플 M1 칩의 장점 중 하나입니다. 2020년 늦가을에 출시되었는데, 2021년 봄에는 아이패드에까지 탑재되었습니다. 이 포스팅에서 가장 중요한 최신의 컴퓨터 기술 중 하나인 CPU 기술을 만나 보시기 바랍니다.
글의 순서
시스템 온 칩 기술로 구현한 애플 M1 칩
애플 M1 칩의 성능과 특성
한발 더 들어가기 위한 컴퓨터 용어 이해
(1) 컴퓨터 아키텍처
(2) CPU
(3) 메모리
(4) GPU
시스템 온 칩 기술로 구현한 애플 M1 칩
M1은 애플이 자체적으로 설계한 반도체 칩(Chip)입니다. 2020년 11월에 발표된 M1은 시스템 온 칩(SoC, System on Chip) 기술로 만들어졌습니다. 시스템 온 칩은 여러 개의 칩이 수행하던 기능을 하나의 칩에서 실현할 수 있게 만든 칩 자체를 일컫는 말입니다. 하나의 칩인데, 그 안에 시스템이 구현되어 있다는 의미입니다. 이것은 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 기술을 바탕으로 합니다. 이렇게 여러 기능을 가진 반도체가 하나의 칩으로 통합되면, 칩을 탑재하는 공간이 크게 줄어들어 작고 얇게 만들 수 있으며, 제조비용도 줄일 수 있습니다.
애플 M1 칩은 어떤 방식으로 시스템을 이룰까요? 중앙처리장치인 CPU 코어, 그래픽 처리장치인 GPU, 애플이 개발한 뉴럴엔진(Neural Engine), 그리고 메모리(RAM)가 통합되어 있습니다. 저전력을 구현할 수 있게 설계했기 때문에, 칩을 구동하는 전력량 기준으로 성능을 비교했을 때는 세계 최고라고 자랑합니다. M1은 5나노미터 프로세스 기술을 사용해 만들어진 첫 PC용 칩으로, M1에는 160억 개의 트랜지스터가 집적되어 있습니다.
메모리도 함께 통합했다는 것이 특징적입니다. 고대역폭과 저지연성의 특징을 갖는 이 통합 메모리는 CPU, GPU 그리고 뉴럴엔진 간 데이터를 효율적으로 공유할 수 있게 해주기 때문에 빠릅니다. 여기서 기존의 제품들과 구별해야 할 것이 있습니다. 메모리가 M1 칩 안에 통합되어 있기 때문에 별도의 메모리 슬롯이 없습니다. 따라서 추가로 메모리를 꽂는 업그레이드를 할 수 없습니다. M1 칩은 16GB까지의 메모리 확장이 가능합니다. M1 칩이 탑재된 컴퓨터를 구입하실 분들은 구매할 때 8GB 또는 16GB를 미리 선택하셔야 합니다.
애플 M1 칩의 성능과 특성
애플 M1 칩은 통합 메모리 아키텍처를 채택하여 고대역폭, 저지연 메모리를 한 곳에서 구동합니다. 연산을 할 때 데이터를 여러 군데 메모리에 복사할 필요가 없기 때문에 성능과 효율이 증가하게 됩니다.
M1은 8 코어 CPU를 구동하게 되는데, 8개의 코어는 4개의 고성능 코어와 4개의 고효율 코어로 구성됩니다. 저전력 프로세스 중에서는 세계 최고의 속도이며, 4개 코어를 동시에 활용하여 멀티쓰레드 성능에 가속도를 더할 수도 있다고 합니다.
M1은 GPU를 포함하고 있습니다. M1의 GPU는 동시에 25,000개의 스레드를 실행할 수 있는 8개의 코어를 장착하고 있습니다. 2.6 테라플롭스(tera flops) 부동소수점 연산(floating-point operations)이 가능합니다. 테라플롭스는 슈퍼컴퓨터의 성능을 따질 때 흔히 사용하는데, 1 테라는 10의 12승을 의미합니다. 10의 12승은 1조에 해당하니까, 1테라플롭스는 1초에 1조번의 연산을 수행 한다는 것입니다.
한발 더 들어가기 위한 컴퓨터 용어 이해
여기까지 M1 칩을 설명하는 애플의 소개를 쓰고 나서 보니까, 들어는 봤지만 익숙하지는 않은 용어들이 무더기로 등장했습니다. CPU, GPU, 메모리, 아키텍처, 고대역폭, 저지연, 코어, 쓰레드, 부동소수점과 같은 것들입니다. 이 글에서는 이중에서 CPU, GPU, 메모리, 아키텍처까지만 살펴보겠습니다. 컴퓨터 아키텍처부터 시작합니다.
(1) 컴퓨터 아키텍처
폰 노이만(von Neumann)이 현대 컴퓨터 아키텍처의 기반을 만들었습니다. 아키텍처는 뼈대가 되는 기본 구조를 뜻합니다. 건축학이나 건축 양식에 많이 사용되는 용어인데, 건축물의 뼈대뿐만 아니라 특성을 결정짓는 기본 구조를 말합니다. 컴퓨터 아키텍처를 이루는 가장 기본적인 장치는 CPU와 메모리입니다. 여기서 메모리는 레지스터, 캐쉬(cache), RAM과 ROM, 그리고 하드 디스크까지 포함합니다. 이 장치들은 메인보드라고 부르는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 위에서 서로 연결되어 있습니다.
(2) CPU
CPU는 중앙처리장치(Central Processing Unit)를 의미합니다. 말 그대로 컴퓨터의 중앙에서 모든 데이터를 처리하는 장치입니다. 흔히들 CPU를 두뇌에 비유합니다. 사용자로부터 입력 받은 명령을 처리한 후, 그 결과를 출력하는 역할을 합니다.
(3) 메모리
컴퓨터 안에서 저장 기능을 가지고 있는 것들이 메모리입니다. CPU로부터 가까운 순서로 레지스터, 캐쉬(cache), RAM과 ROM, 마지막으로 하드디스크가 있습니다.
레지스터는 CPU안에 내장되어 있으며, 데이터 처리를 위한 저장 공간입니다. 캐쉬는 CPU와 RAM(Random Access Memory) 사이의 중간 저장 공간 역할을 합니다. RAM은 읽기와 쓰기가 가능한 임시 저장 공간입니다. RAM은 반도체이기 때문에 전원이 꺼지면 데이터도 없어집니다. 그래서 임시 저장 공간인 것입니다.
ROM(Read Only Memory)은 읽기만 가능한 메모리입니다. 모든 컴퓨터에는 부팅 정보 등과 같이 컴퓨터를 작동시키는 기본적인 데이터가 있습니다. 이런 데이터의 경우, 수정하면 컴퓨터에 문제가 발생할 수도 있습니다. 그래서 제조사에서는 컴퓨터 구동을 위해 꼭 필요한 데이터를 ROM에 저장시킨 후, 읽기만 가능하도록 해놓았습니다. ROM의 데이터는 전원이 없어도 지워지지 않습니다.
마지막으로 하드디스크는 데이터 처리에 당장 필요하진 않지만, 보관해야 할 파일들을 저장하고 있는 공간입니다. RAM이 데이터 처리의 중간 저장 공간 역할을 하는 것과 비교됩니다. 하드디스크는 대용량 저장 매체이나, 가격이 저렴하며 느립니다.
(4) GPU
GPU는 그래픽 처리장치 (GPU, Graphics Processing Unit)를 의미합니다. 그래픽 처리장치는 컴퓨터에서 영상정보를 처리하거나, 화면 출력을 담당하는 연산처리장치입니다. 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)의 그래픽 처리 작업을 돕기 위해 만들어 졌으며, 그래픽카드 또는 마더보드에 장착되어 있습니다.
초기의 컴퓨터는 문자나 선, 면을 화면에 나타내는 정도였습니다. 이 정도는 CPU만으로도 충분히 출력할 수 있었습니다. 요즘 컴퓨터는 어떤가요? 요즘엔 컴퓨터로 유튜브 동영상을 보고, 게임을 하고 있습니다. 유튜브에 올리기 위해 동영상을 편집하기도 합니다. 요즘 게임은 3차원 도형의 조합에다가 빛의 움직임, 그리고 그림자들도 자연스럽게 표현하고 있어, 무척 사실적입니다. 영화와 비슷한 수준의 그래픽이 게임에서 펼쳐집니다. 이 정도의 그래픽을 표현할 수 있는 것은 그래픽을 전담하는 GPU가 있기 때문입니다.
GPU라는 용어를 처음으로 사용한 곳은 엔비디아(NVIDIA)사입니다. 1999년에 ‘지포스(GeForce)’라는 이름의 그래픽 카드용 칩을 만들었습니다. 지포스는 CPU의 도움 없이 자체적으로 3차원 그래픽을 구현하는 다면체를 변형시키거나, 빛과 그림자를 입힐 수 있게 하였습니다. 이 그래픽카드용 칩은 이전까지 사용했던 것과는 다른 개념이었기 때문에, 이전 것과 구분하기 위해 GPU라는 이름을 붙이게 되었습니다.
엔비디아사와 양대 산맥을 이루는 AMD사는 지포스가 만들어졌던 그 이듬해인 2000년에 라데온(Radeon)이라는 GPU를 출시하였습니다. AMD사의 당시 사명은 ATi 였습니다. 이 두 회사는 지금까지 건강한 경쟁관계를 유지하고 있습니다.
마치며 …
2020년 11월 이전에는 애플의 맥북이나 아이맥에는 인텔에서 만든 CPU가 쓰였습니다. 그런데, 2020년 11월을 기점으로 애플도 직접 설계한 CPU를 세상에 내놓았습니다. 바로 애플 M1 칩입니다.
M1은 시스템 온 칩(SoC, System on Chip) 기술로 만들어졌습니다. 애플 M1의 칩에는 고대역폭, 저지연 메모리까지 통합되어 있습니다. 연산을 할 때 데이터를 여러 군데 메모리에 복사할 필요가 없기 때문에 성능과 효율이 증가하게 되었습니다. 더군다나 CPU, GPU, 뉴럴엔진까지 통합했는데도 작고 얇으며, 전력 소모도 적어 발열이 적고 배터리 사용 시간도 만족할 만한 수준입니다.
한 가지 유념해야 할 M1 칩의 특징도 기억해 주시기 바랍니다. 메모리가 M1 칩 안에 통합되어 있기 때문에 별도의 메모리 슬롯이 없습니다. 따라서 추가로 메모리를 꽂는 업그레이드를 할 수 없습니다. M1 칩은 16GB까지의 메모리 확장이 가능합니다. M1 칩이 탑재된 컴퓨터를 구입하실 분들은 구매할 때 8GB 또는 16GB를 미리 선택하셔야 합니다.
이 포스팅에서는 알아두면 좋을 컴퓨터 용어들도 정리해보았습니다. 이 포스팅이 애플 통합 칩을 통해 최신의 컴퓨터 기술 중 가장 중요한 CPU 기술을 이해하는 데 도움이 되었기를 기대합니다.
“파트너스 활동을 통해 일정액의 수수료를 제공받을 수 있음”
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6. 알아두면 좋을 컴퓨터 작동원리. 폰 노이만 아키텍처
참고자료
[1] [네이버 지식백과] 시스템 온 칩 [system on chip] (IT용어사전, 한국정보통신기술협회)
[2] Apple Newsroom(2020.11.11.), “Apple, M1칩을 공개하다”
[3] [네이버 지식백과] 메모리 [memory] (천재학습백과 초등 소프트웨어 용어사전)
[4] [네이버 지식백과] 그래픽처리장치 [graphics processing unit] (두산백과)
[5] [네이버 지식백과] GPU [Graphics Processing Unit] – 그래픽카드의 핵심 칩 (용어로 보는 IT, 김영우, IT 동아)