CPU와 BUS의 발전사(PC위주)

우리나라에서 PC(Personal Computer) 즉 개인용 컴퓨터라고 하면 APPLE과 MSX를 빼놓고는 이야기를 시작할 수 없을 것이다. 먼저 APPLE 컴퓨터는 미국에서 스티븐 잡스가 워즈니악과 함께 개발한 개인용 컴퓨터로 당시 세운상가 등에서 APPLE II의 복제품이 유행을 했었다. 이 APPLE II에는 6502라는 CPU를 사용했었고 클럭속도는 1Mhz였다. 그뒤 일본에서 표준이 정해진 MSX컴퓨터가 들어와 당시 대우전자에서 판매하며 APPEL호환기종과 함께 양대산맥으로 8비트 컴퓨터시장을 이끌어 간다. 이때 여기에 탑제된 CPU는 Z-80A라는 CPU로 당시에 3.54Mhz로 동작하였다.
아마 개인적인 견해로 IBM이라는 회사가 없었다면 오늘날의 인텔사는 없었다고 생각된다. 8비트시장이 활성화 되었을 당시 IBM은 중대형 컴퓨터시장에 막강한 영향력을 끼치고 있던 회사로, 이런 IBM사에서 개인용컴퓨터시장에 눈독을 들이고 만들어낸 개인용컴퓨터가 IBM-XT이며, 이 IBM-XT에 탑제된 CPU가 인텔사의 8086이라는 CPU이다. 이 8086은 내부/외부를 모두 16비트로 처리하는 CPU로 당시에는 8비트가 주류를 이루고 있었기 때문에 8비트 주변기기와 호환성에 문제를 일으키게 된다. 이에 인텔에서는 8088이라는 새로운 CPU를 IBM-XT에 탑제시키는데 내부/외부를 16비트/8비트로 처리하여 주변기기와의 호환성을 높혔다. 반면 속도에서는 8086에 비해 동일클럭에서 약간 감소하였지만 클럭속도를 높혀 만회하였다. 당시 속도는 8086이 4.77Mhz로 시작하였으며, 8088-1이 10Mhz, 8088-2가 8Mhz로 동작하였고 트랜지스터 집적도는 29,000개였다. 이때 시스템버스 속도는 8Mhz의 ISA버스로 8비트/16비트로 작동하였으며 CPU와 버스간의 속도 균형으로 병목현상은 거의 일어나지 않았다.
8비트시절에 APPLE로 재미를 보았던 애플사는 IBM에 대항하기 위하여 APPLE IIe, APPLE II의 16비트 버젼인 APPLE IIgs(여기서 gs란 각각 그래픽과 사운드의 약자로 그래픽과 사운드를 강화시켰슴)를 발표하지만 큰 빛은 보지 못하고 매킨토시 기종을 발표하면서 약간의 빛을 보기 시작한다. 하지만 IBM기종은 누구나 만들어 팔수 있는 개방적 구조인 반면(IBM호환기종은 IBM사뿐만 아니라 전세계 여러회사에서 만들어 판매하였슴), 매킨토시는 애플사에서만 만들어 팔수 있는 패쇄적 구조로 점차 IBM호환기종이 전세계적으로 점유율을 높여가며 이에 따라 인텔의 매출도 기하급수적으로 늘어간다.
IBM-XT의 발표로 기선을 잡은 IBM은 바로 IBM-AT를 발표한다. 여기에 들어간 CPU역시 인텔사의 제품으로 80286이라는 CPU가 탑제되었다. 이 80286은 8086과 마찬가지로 내부/외부를16비트로 처리하였는데, 여기에는 IBM의 치밀한 계산이 깔려 있다. 이미 8비트 유저들을 16비트로 많이 이동시켰고, 그에 따른 시장지배력으로 여러 주변기기 업체에서 16비트 IBM호환기종에 맞는 주변기기를 발빠르게 만들어 내고 있었기 때문이다. 80286이 기존 8086 및 8088과 다른 점은 주소공간이 1MB에서 16MB로 늘어났다는 점인데, 당시 운영프로그램(DOS)의 640KB의 물리적 한계로 단지 속도가 빠른 IBM-XT정도로 인식되었다. 클럭속도는 8,10,12Mhz였고 130,000의 트랜지스터 집적도를 보였다.
그다음으로 발표된 기종이 386호환기종인데,왜 컴퓨터 이름에 IBM이라는 이름이 들어가지 않고 386이라는 이름이 들어갔는지는 좀전에 약간의 언급을 생각하면 나온다. 인텔이 초기 IBM사의 주문을 받아 CPU를 납품했지만 개방형 구조로 인하여 IBM사뿐만 아니라 세계 여러나라의 회사에서 인텔의 80386칩을 탑제하여 컴퓨터를 만들고 있었기 때문이다. 그러다 보니 IBM이라는 브랜드 보다는 인텔의 X86이라는 브랜드 가치가 더욱 높게 되었던 것이다.
80386은 기존 16비트와는 다른 32비트 CPU로 16~33Mhz라는 당시 획기적인 속도를 보였다. 주소공간도 4GB나 되었으며, 275,000개의 트랜지스터 집적도를 보인다. 그리고 이때부터 버스와 CPU간의 병목현상이 본격적으로 나타나기 시작한다.
CPU는 33Mhz로 동작을 하는데, 버스는 아직도 16비트(8Mhz)의 ISA버스였기 때문이다. 그리고 처음에 8086이 나타났을 때와 같은 문제가 발생하여, 발표된 CPU가 바로 80386SX이다. 이 CPU는 내부/외부를 32비트/16비트로 처리하여 기존 80386DX보다는 속도가 떨어졌다. 당시에 병목현상을 줄이기 위하여 여러 방안(EISA(ISA의 확장판으로 32비트작동), MCA(IBM이 개방형에서 폐쇠구조로 바뀌면서 채택)이 나오기는 했지만 가격 및 호환성의 문제로 흥행에는 실패하였다.
인텔에서는 80386DX(33Mhz)를 끝으로 80486으로 넘어가게 된다. 이때 AMD라는 회사에서 386DX(40Mhz)를 내 놓으며, 틈새 호환시장에서 조금의 두각을 나타낸다. 하지만 인텔은 이미 386시장을 버리고 486시장으로 넘아갔기 때문에 큰 경계를 나타내지는 않는다.
80486은 80486SX와 80486DX로 나누어 진다. 486SX는 코프로세서가 빠진 일종의 빠른 386 정도의 성능이였고, 486DX는 코프로세서가 포함되어 있다는 것이 다른 점이다. 80486SX는 900,000의 트랜지스터집적도로 16~33Mhz로 동작하였으며,80486DX는 1,180,000의 트랜지스터집적도에 25~50Mhz로 동작하였다.
80486이후 속도를 올리기 위한 연구는 계속되었는데, 주변기기의 속도와의 불균형으로 속도향상에 난항(당시 486(50Mhz)가 주변기기의 속도가 50Mhz를 받쳐주지 못하여 문제가 발생했었슴)을 겪고 있던 인텔사는 클럭 더블링 방식이라는 새로운 개념으로 92년도에 80486DX2를 별표하게 된다. 여기에서 DX2란 외부클럭은 기존 그대로 25Mhz, 33Mhz로 두면서 내부에서 클럭을 두배로 튀겨서 50Mhz, 66Mhz로 동작하게 만드는 것이다. 이렇게 되면 주변기기에 별 영향을 미치지 않으면서 속도를 올리기가 쉬워지게 된다. 오늘날 최신 펜티엄4도 배율만 다를뿐 비슷한 방식을 채택하고 있다. 아울러 주변기기의 병목현상도 줄이기 위하여 베사로칼 방식이 도입되는데 이는 주변기기와 CPU를 1대1로 직접 연결하여 주는 방식으로 슬롯을 2개이상 만들수 없다는 단점이 있는 반면, 추가되는 비용이 적어 인기를 끌었다. 베사로칼버스는 33Mhz로 동작하며, 당시 병목현상이 가장 컸던 그래픽 및 IDE 연결에 사용되었다.
그다음 나온 제품이 펜티엄이다. 펜티엄은 기존에 X86계열이 독점적 브랜드로 인정을 받지 못하고,호환업체에서 비슷한 이름으로 호환칩을 만들었기 때문에 이를 방지하기 위하여 지어진 이름이다. 초기 펜티엄은 60,66Mhz로 동작하였는데, 엄청난 발열 및 버그로 바로 퇴출 당하였고 코드명 P-54C가 발표되면서 본격적인 펜티엄 시대가 열린다. 펜티엄은 기존 입출력 속도를 25~33Mhz에서 50~66Mhz로 높였고, 당시 버스방식도 변화가 있었는데, 베사버스 방식 대신 PCI버스를 채택하였다. PCI는 기존 베사버스가 CPU와 주변기기를 직접 연결해주는 방식과는 달리 중간에 교통정리를 해주는 단계를 거쳐 CPU와 주변기기가 연결되게 된다.속도에 있어서는 베사방식과 별차이가 없었지만 슬롯의 제한이 2개에서 5개로 늘어났다는 점에서 확장성에 높은 점수를 받았다. 펜티엄(P-54C)는75Mhz에서 시작하여 200Mhz까지 발표하게 된다. 펜티엄 시절부터 호환업체의 본격적인 인텔 흔들기가 시작되는데 당시에 가장 큰 주목을 받았던 업체는 AMD사와 사이릭스사였다. AMD의 K5시리즈는 높은 가격대 성능비로, 사이릭스사의 6X86시리즈는 높은 정수연산으로 인기를 얻었다.
이에 인텔에서는 펜티엄에 내부 캐쉬를 두배로 높이고 MMX명령어를 추가하여 P-55C 펜티엄MMX를 내놓는다. 펜티엄MMX는 150~233Mhz로 동작하였다. 여기에 AMD에서는 넥스전사를 인수하여 만든 K6로 도전을 하는데 인텔과 마찬가지로 MMX를 탑제하고 클럭 또한 166~233Mhz로 동작하였다. 하지만 실수연산에서 인텔에 뒤지는바람에 큰 점유율을 기록하지는 못했다.
하지만 인텔에서는 호환업체들의 추격이 달갑지만는 않았다. 그래서 기존 소켓7방식을 버리고 소켓8 방식의 펜티엄PRO를 발표하게 된다. 펜티엄PRO에서는 속도를 높이기 위하여 메인보드에 있던 2차 캐쉬를 CPU안으로 넣어 속도를 높였다.
펜티엄PRO는 150~200Mhz로 동작하였는데, 당시 기술로 150~200Mhz의 캐쉬메모리를 CPU안에 넣는데는 기술적 한계가 있었고, 더군다나 그렇게 빠른 램을 만드는 것은 단가를 높이는 주범이 되어 크게 흥행하지는 못한다. 또한가지 펜티엄PRO의 약점은 32비트환경에서는 빠른 속도를 보이지만, 16비트환경에서는 다른 프로세서들에 비해 빠르지 못한 단점이 있었다.
펜티엄PRO의 단점을 없애고, MMX병령을 추가해 놓은 CPU가 바로 펜티엄2이다. 펜티엄2는 2차 케쉬를 CPU밖으로 빼내어 CPU의 1/2속도로 동작하게 만들었으며, 펜티엄PRO에는 빠져 있던 MMX명령어를 탑재 하였고, 이때 다시 버스의 변동이 있는데, 지금도 널리 쓰이는 AGP버스가 출현하였다.
펜티엄2는 초기 클라머스 코어로 233Mhz에서 300Mhz가 있으며 입출력은 66Mhz이고 단300Mhz에는 ECC기능(에러검증기능)이 들어있었다.
다음 나온 펜티엄2는 데슈츠 코어로 333Mhz에서 450Mhz카지 발표되었는데, 333Mhz 모델을 제외하고는 모두 입출력 속도를 100Mhz로 높였다. 인텔은 중고가 시장에서는 승승장구 하고 있었지만 저가형 시장에서는 AMD 및 IDT등의 업체에 조금씩 영역을 내어주고 있었다.특히 AMD의 활약이 눈부셨는데, K6-2는 입출력이 100Mhz로 우리나라에서도 좋은 인기를 얻었었다. 이에 인텔에서 발표한 CPU가 셀러론이다. 초기 셀러론(코밍턴)은 데슈츠 코어에 2차캐쉬를 제거하고 입출력속도를 66Mhz로 줄여 발표되었다. 하지만 2차케쉬의 제거는 CPU성능저하에 큰영향을 미치게 되어 멘도시노 코어의 셀러론을 다시 발표하게 된다. 멘도시노 셀러론은 128KB의 풀스피드 2차캐쉬를 가지고 있어 클라머스 펜티엄2와 비교하여 성능차이가 거의 없어 높은 인기를 얻는다.
인텔은 다시한번 호환칩업체들을 떼어내기 위하여 펜티엄3을 발표하는데 초기 펜티엄3(카트마이)는 단지 펜티엄2에 KNI라는 명령어만 추가되어 동일클럭 펜티엄2와 성능차이가 거의 없었다. 이사이 AMD사에서는 K6-2, K6-2+, K6-3 등으로 기술력을 쌓아 에슬론이라는 최대 히트작을 내놓게 된다. 기존 펜티엄2, 펜티엄3은 구식의 펜티엄PRO(6세대)의 연장선에 있었지만 에슬론은 전혀 새로운 7세대 제품으로 펜티엄3의 성능을 정수뿐 아니라 실수연산에서까지 압도하였다.
이에 인텔은 2차캐쉬를 풀스피드로 올린 코퍼마인 코어의 펜티엄3을 발표한다.캐쉬량은 기존 512KB에서 256KB로 줄었지만 캐쉬속도의 증가로 속도에 많은 향상을 가져 왔다. 거기에 입출력속도도 133Mhz로 높혔다. 이로써 성능면에서 에슬론과 펜티엄3은 앞서거니,뒤서거니 비슷해 졌지만 당시 꿍이었던 1기가헤르즈에는 에슬론이 먼저 깃발을 꼽는다. 그후 에슬론은 EV1버스의 장점을 살려 DDRRAM방식을 채용하고 클럭을 1.4Ghz까지 끌어올려 펜티엄3의 자존심을 짓밟는다.
인텔은 투알라틴 코어의 펜티엄3을 내놓기는 하지만 클럭상승에 한계를 느끼고 바로 펜티엄4(윌라멧)를 주력으로 한다. 펜티엄4는 쿼드범핑 방식으로 기존 에슬론계통의 EV1버스의 2배 가까운 효율을 내주었다. 하지만 펜티엄PRO와 마찬가지로 초기에는 클럭대비 성능이 좋지 못했다. 그뒤 2차캐쉬메모리를 2배로 늘린 노스우드코어의 펜티엄4를 내놓으며 다시 예전의 인기를 얻어낸다. 아울러 클럭향상에도 여유를 가지게 되었다. 노스우드는 A방식(캐쉬를 256에서 512KB로 늘림), B방식(입출력속도를 400Mhz에서 533Mhz로 늘림) C방식(입출력속도를 553에서 800Mhz로 늘림)로 이루어 지며 최고 3.4Ghz까지 발표되며 지금도 높은 인기를 얻고 있다. 반면 에슬론 역시 펜티엄4에 대항하기 위하여 3D프로페셔날 명령어를 추가하고 공정을 세밀화 하여 발열을 낮춘 에슬론XP를 발표한다. 에슬론XP는 초기 팔로미노 코어에서 써러브러드 코어를 거쳐 현재의 바톤코어까지 발전한다. 각코어의 특징은 다음과 같다. 팔로미노(1333Mhz~1733Mhz, 256KB캐쉬, FSB266Mhz) 쎄러브러드코어(1466Mhz~2200Mhz, 256KB캐쉬, FSB266~333Mhz) 바톤코어(1833~2158Mhz, 512KB캐쉬 FSB333~400Mhz)
현재 펜티엄4는 캐쉬를 1MB로 늘린 프레스캇으를 발표하였으나 높은 발열 및 파워의 문제로 노스우드 코어의 펜티엄4와 혼제되어 있으며, AMD계열은 에슬론XP가 저가형과 중고가형을 모두 커버하다가 최근에 저가형은 셈프론이 중고가형은 에슬론 64가 맡고 있다. 인텔의 저가형인 셀러론은 멘도시노코어를 거쳐 코퍼마인코어, 투알라틴코어, 윌라멧코어, 노스우드코어를 거쳐 현재에는 프레스캇 코어의 셀러론이 발표되었다. 그중 투알라틴 코어의 셀러론이 인기를 끌었으며, 이번에 발표된 프레스캇 코어의 셀러론 역시 캐쉬 및 입출력속도의 증가로 셈프론과 더블어 저가시장에서 인기를 끌것으로 생각된다.
버스은 이제 AGP에서 PCI익스프레스로이 이동이 시작되기는 했지만 아직까지는 재성능이 나오지 않고 있어 조금 더 기가려야 할듯 하다.
지금까지 별재미없는 글 읽어주셔서 감사합니다. 좀더 세밀하게 쓰고 싶었는데, 하루에 쓰려고 작정을 하다보니 체력에 한계를 느껴서--; 다음번에는 좀더 좋은 글을 올리도록 하겠습니다.