Lec 1 part 2 · 컴퓨터의 정의, ISA·microarchitecture, 컴퓨터 역사
정밀 정리 · 검증 2026-09-24 12:16
1개요
1.1computer 정의와 종류(embedded ~ warehouse-scale), 두 abstraction layer 인 architecture(ISA)와 microarchitecture 를 정의.
1.2von Neumann(stored program) 구조와 이 과목이 다루는 계층 범위.
1.3역사: 기계식 → 전기기계식 → 전자식(ENIAC) → 상용화(System/360) → minicomputer·supercomputer → microprocessor.
1.464-bit 전환(Itanium 실패, AMD64), Intel multi-core 세대, chiplet(EPYC) vs monolithic(Graviton2).
1.5영상은 deck p23~p51 까지(25분). p52~p76(transistor·logic gate, wall, 최신 동향)은 이 영상에 나오지 않음.
2섹션별 정리 상황·문제 → 원인 → 해결
2.10:00–1:27컴퓨터란 무엇인가, 컴퓨터의 종류
상황·문제본격적인 computer architecture 입문 시작. computer 의 정의부터 묻는다.
원인수학·논리 연산을 수행하는 장치면 모두 computer. 규모와 용도가 매우 다양하다.
해결embedded system(가전, 자동차 ECU, SSD controller) → mobile·PC·server → supercomputer·data center(warehouse-scale computer) 로 분류.
- SSD 도 내부 processor 가 있어 computer 로 볼 수 있다
- 대규모 system 은 warehouse-scale computer 라고도 부름
2.21:27–4:24Architecture(ISA)와 von Neumann architecture
상황·문제34강에서 말한 두 abstraction layer 중 첫째인 architecture(= instruction set architecture)를 정의.
원인Architecture 는 programmer 가 보는 system 속성. 사용 방법·동작·기능을 규정한다.
해결기계어·assembly 사용자의 manual 이자 hardware engineer 의 design spec(최소 요구사항). 현대 컴퓨터 대부분은 von Neumann(stored program) 구조.
- system software 개발자에게 특히 관련
- von Neumann: CPU(control unit + ALU) ↔ memory(program+data), input/output device
- 초기 컴퓨터는 stored program 이 아니었다
2.34:24–6:00Microarchitecture(organization)
상황·문제둘째 abstraction layer 인 microarchitecture 를 정의.
원인같은 ISA 를 특정 processor 에서 구현하는 방식. CPU·DRAM·I/O·bus(memory bus, I/O bus), ALU·register file 등 구성요소와 연결을 다룬다.
해결성능·전력을 위한 processor 설계, microarchitecture 평가·tuning 이 이 과목 주제. processor 가 instruction 을 실행하는 과정은 몇 강 뒤에 다룬다.
- system diagram 과 processor pipeline diagram 두 예시
2.46:00–6:53Abstraction layer 와 과목 범위
상황·문제컴퓨터 system 의 계층도에서 이 과목의 위치.
원인위로 system software·compiler·application, 아래로 digital design·circuit·device physics.
해결Computer Architecture 는 architecture 와 microarchitecture 두 layer 를 다루며 선수과목과 연결된다.
2.56:53–8:35역사: 빗나간 예측들
상황·문제현대 컴퓨터 이전의 역사적 배경. 기술이 너무 빨리 발전해 유명인들의 예측이 틀렸다.
원인IBM Thomas Watson "세계 시장 5대", DEC 창업자 "가정에 컴퓨터 필요 없음", 640KB 발언(Bill Gates 발언이라는 증거는 없음), 32-bit 는 PC 에 과하다.
해결오늘날 smartphone 도 64-bit architecture. 컴퓨터 기술 발전은 예측하기 어렵다.
- 640KB 인용은 Bill Gates 가 했다는 증거가 없다고 강의에서 언급
2.68:35–10:52기계식에서 전기기계식으로
상황·문제컴퓨터 기술의 초라한 시작: mechanical calculator, punch card 로 제어하는 직조기.
원인Babbage 의 Difference Engine·Analytical Engine 은 거대했지만 기계 부품의 한계로 기능이 제한적.
해결switch·relay 를 쓰는 전기기계식, mercury delay line memory 로 이동. Harvard/IBM Mark I(Aiken)은 덧셈 한 번에 3~6초.
- relay: 작은 회로가 기계 부품을 움직여 큰 회로를 제어
- mercury 관 속 음파로 data 저장
2.710:52–12:09전자식 컴퓨터: ENIAC 과 40~50년대 확산
상황·문제plugboard·vacuum tube·CRT·drum/core memory·transistor 기반 전자식 기계로 발전.
원인ENIAC: 최초 programmable electronic digital computer. 30톤, 초당 1,900 덧셈, switch 로 programming.
해결von Neumann 의 조언에 따라 stored program 구조로 전환. 40~50년대 여러 컴퓨터가 등장하고 FORTRAN(1954)·C·C++·Java 등 software 도 발전.
- ENIAC 은 수많은 vacuum tube 로 구성
2.812:09–13:51상용화: UNIVAC 과 IBM System/360
상황·문제50년대 컴퓨터 상용화. UNIVAC 이 최초 상용 컴퓨터지만 고가라 48대만 판매.
원인이전 system 은 호환성이 없어 더 큰 machine 으로 옮길 수 없었다.
해결IBM System/360: binary-compatible 제품군, 싼 모델에서 비싼 모델로 upgrade 가능 → 큰 성공. 지금도 호환 IBM z series 가 은행 등에서 쓰인다.
- binary compatibility 가 성공 요인
- IBM z series(z15) 가 System/360 호환
2.913:51–17:07Minicomputer 와 supercomputer, Seymour Cray
상황·문제60~70년대: 더 싼 minicomputer 와 비용 무관 최고 성능의 supercomputer 로 분화.
원인DEC PDP-8(대형 냉장고 크기)은 mainframe 보다 약하지만 훨씬 싸서 학과 단위 time-sharing 으로 사용. PDP-11·VAX 가 70~80년대 인기.
해결supercomputer 고객은 정부(국방·핵무기·암호·항공우주). Seymour Cray 가 고성능 기법 개척. Cray-3: 1초 계산이 ENIAC 67년, 1대만 팔려 회사 파산.
- Cray Inc. 는 HP Enterprise 에 인수
- Xerox Alto: mouse·GUI
2.1017:07–18:23Microprocessor 의 등장
상황·문제70년대 microprocessor 등장. 이전 CPU 는 여러 chip 으로 구성.
원인Intel 4004: 세계 최초 single-chip CPU. 계산기용 4-bit, 약 2,300 transistor, 10 μm, 초당 약 10만 연산.
해결8080·80286·Pentium 으로 이어지며 transistor 크기 축소로 transistor 수가 빠르게 증가.
2.1118:23–20:3164-bit 전환: Itanium 실패와 AMD64
상황·문제8/16/32-bit 이후 Intel·HP 가 새 64-bit ISA Itanium 을 개발.
원인32-bit Intel architecture 와 backward compatibility 가 없었다 → 판매 예측을 계속 낮췄고 실제 판매는 훨씬 적었다.
해결AMD64(x86-64/x64/Intel 64)는 32-bit 호환 유지. Intel 도 Itanium 을 버리고 AMD64 를 Intel 64 로 채택. 첫 칩 AMD Opteron(Sledgehammer, 2003).
- System/360 과 같은 교훈: binary compatibility
2.1220:31–22:18Intel multi-core 세대 (Nehalem → Skylake Xeon)
상황·문제64-bit 이후 공정 축소로 chip 당 core·cache 증가.
원인Nehalem: 6 core, 45 nm. Sandy Bridge(32 nm): CPU core 와 GPU 를 한 chip 에. 이후 최대 18 core.
해결Skylake(14 nm) 일부 모델은 큰 cache. server 용 Skylake Xeon 은 최대 28 core / 56 logical core.
- logical core 는 이후 강의에서 다룸
2.1322:18–25:04Chiplet(AMD EPYC) vs monolithic(AWS Graviton2)
상황·문제AMD 는 작은 chip 여러 개를 한 package 에 넣는 chiplet 설계를 적극 사용.
원인compute core die(CCD)는 첨단 공정이 비용 대비 성능이 좋고, I/O die 는 첨단 공정이 필요 없어 공정을 분리.
해결EPYC Rome: CCD 8개 × 8 core = 64 core, 큰 L3. 반면 AWS Graviton2 는 64 core monolithic ARM chip(EC2 M6g). Linus Torvalds: single die 의 flat latency 가 core 간 통신에서 유리.
- chiplet 은 core 간 통신 latency 가 길어질 수 있음
3핵심 개념
3.1instruction set architecture(ISA, 명령어 집합 구조)
programmer 가 보는 system 속성. 사용자 manual 이자 hardware 설계의 최소 spec.
3.2microarchitecture(마이크로아키텍처)
주어진 ISA 를 특정 processor 에서 구현하는 방식(organization).
3.3von Neumann architecture(stored program)
program 과 data 를 모두 memory 에 두고 CPU 가 실행.
3.4binary compatibility(바이너리 호환성)
같은 binary 가 제품군 전체에서 실행. System/360 성공, Itanium 실패와 AMD64 성공을 가름.
3.5chiplet(칩렛)
작은 die 여러 개를 한 package 에. core die 와 I/O die 에 다른 공정 사용.
4스스로 확인
4.1architecture 와 microarchitecture 의 차이는?
답
architecture(ISA)는 programmer 가 보는 속성·기능 spec, microarchitecture 는 그 ISA 를 특정 processor 로 구현하는 방식.
4.2von Neumann architecture 의 핵심은?
답
program 과 data 를 모두 memory 에 저장(stored program). ENIAC 은 원래 switch 로 programming 했다.
4.3IBM System/360 이 산업을 바꾼 이유는?
답
binary-compatible 제품군이라 싼 모델에서 비싼 모델로 software 변경 없이 upgrade 가능.
4.4Itanium 은 왜 실패하고 AMD64 는 성공했나?
답
Itanium 은 32-bit x86 과 backward compatibility 가 없었고, AMD64 는 유지했다.
4.5AMD 가 chiplet 을 쓰는 이유와 단점은?
답
core die 는 첨단 공정, I/O die 는 구공정으로 비용 절감. 단점은 core 간 통신 latency (Torvalds 발언).