[TIL 프로젝트] 1일차 - 컴퓨터 구조 (Computer Architecture)

컴퓨터는 여러 하드웨어 구성 요소로 이루어져 있으며, 각 구성 요소가 협력하여 프로그램을 실행하는 형태로 이루어져 있습니다.

1. 컴퓨터의 주요 구성 요소

컴퓨터는 크게 CPU, 메모리, 저장장치, I/O 장치로 나뉘어집니다.

1-1. CPU (Central Processing Unit, 중앙처리 장치)

CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 합니다.
- 연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit) : 덧셈, 뺄셈 같은 연산을 수행
- 제어장치(CU, Control Unit) : 명령을 해석하고 실행
- 레지스터(Register) : 초고속 메모리 (CPU 내부에서 연산을 빠르게 처리)
- 클럭 속도(Clock Speed) : CPU가 초당 처리할 수 있는 주파수 (GHz 단위)

CPU 작동 원리는 명령어를 가져오고(Fetch), 해석하고(Decode), 실행(Execute) 합니다.

1-2. 메모리 (Memory)

- RAM (휘발성 메모리) : 실행 중인 프로그램을 임시로 저장
- ROM (비휘발성 메모리) : 부팅 시 필요한 기본 데이터 저장
- 캐시 메모리 (Cache) : CPU와 RAM 사이에서 자주 쓰는 데이터를 빠르게 제공
  - L1 -> L2 -> L3 순으로 빠르고 용량은 작음

메모리가 부족하다면 가상 메모리(Swap) 사용하게 되고 속도가 느려진다.

가상메모리란?

- 실제 RAM(주기억장치)보다 더 많은 메모리를 사용할 수 있도록 운영체제가 하드디스크(또는 SSD)의 일부를 RAM처럼 활용하는 기술
- CPU가 필요할 때 가상 메모리에서 데이터를 다시 RAM으로 가져옴
- 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있다는 이점을 가짐
- 프로세스 간 메모리 보호(isolation)를 제공함

가장 메모리의 동작 방식

가상 메모리는 페이징(Paging) 기법을 사용해 구현됨

1. 페이징(Paging)
- 가상 메모리와 실제 메모리를 일정 크기의 블록(페이지, Page)으로 나눔
- RAM에 없는 데이터를 사용할 때, 필요한 페이지를 디스크에서 RAM으로 로드(페이지 교체)함

2. 페이지 테이블 (Page Table)
- 가상 주소(Virtual Addtress) <-> 물리 주소(Physical Address) 를 매핑하는 구조
- CPU는 직접 가상 주소를 사용할 수 없고, MMU(Memory Management Unit)가 변환을 수행함

3. 페이지 폴트 (Page Fault)
- CPU가 필요한 데이터가 RAM에 없을 때 발생하는 예외(Exception)
- 운영체제가 디스크에서 해당 페이지를 가져와 RAM에 올림

페이지 교체 알고리즘

RAM 공간이 부족할 때 어떤 페이지를 내보낼지 결정하는 알고리즘이 필요함

대표적인 페이지 교체 알고리즘

1. FIFO (First-In, First-Out)
- 가장 먼저 들어온 페이지를 제거
- 단점 : 가장 오래된 페이지가 꼭 덜 중요한 것은 아님

2. LRU (Least Recently Used)
- 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 제거
- 시간 지역성(Temporal Locality)에 적합
- 구현이 어렵고 오버헤드 발생 가능

3. LFU(Least Frequently Used)
- 사용 횟수가 가장 적은 페이지를 제거
자주 사용되는 페이지를 유지하려는 전략

4. Optimal (OPT, Belady's Algorithm)
- 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 제거
- 현실적으로 미래를 예측할 수 없어서 이상적인 이론 모델로 사용됨

스왑 (Swap)과 스왑 공간(Swap Space)

- 가상 메모리를 활용할 때, 운영체제는 디스크의 일부를 스왑 공간(Swap Space)으로 할당함
- RAM이 부족하면 사용하지 않는 데이터를 스왑 공간으로 옮김 -> 성능 저하 발생 가능!

가상 메모리의 장점과 단점

장점
- RAM보다 큰 메모리를 사용할 수 있음
- 프로세스 간 메모리 포호 가능 (각각 독립된 주소 공간 사용)
- 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있음 (멀티태스킹)
단점
- 디스크 접근 속도가 RAM보다 훨씬 느림 -> 속도 저하 발생
- 너무 많은 스왑 사용 시 스레싱 (Thrashing) 문제 발생

스레싱 (Thrashing)이란?

- CPU가 계속해서 페이지 폴트(Page Fault)를 처리하느라 실제 작업을 거의 못하는 상황
- 해결 방법 : RAM 용량을 늘리거나, 실행 중인 프로그램 개수를 줄이기

가상 메모리는 운영체제(OS)가 자동으로 관리함
고성능 게임에서는 가상 메모리를 효과적으로 활용하거나 회피하는 전략이 중요함

가상 메모리를 최소화하는 게임 개발 기법

1. 레벨 스트리밍(Level Streaming)
- 오픈월드 게임처럼 맵이 큰 경우, 전체 맵을 한 번에 로딩하지 않고 필요한 부분만 불러오는 기법
- RAM과 가상 메모리 사용을 최적화하여 로딩 없이 seamless하게 진행 가능
- 언리얼에서는 World Partition을 사용하여 가상 메모리 부담을 줄임
- GTA V, The Witcher 3 같은 오픈월드 게임에서 활용됨

2. 텍스처 스트리밍(Texture Streaming)
- 고해상도 텍스처를 한 번에 로딩하지 않고, 플레이어가 보는 부분만 로딩
- VRAM(그래픽카드 메모리)과 RAM을 절약할 수 있음
- 언리얼 엔진과 유니티 모두 텍스처 스트리밍 가능
- 콜오브듀티 같은 FPS 게임에서 멀리 있는 오브젝트는 낮은 해상도로 로딩 후 가까이 오면 고해상도로 변경

3. LOD (Level of Detail)
- 멀리 있는 오브젝트는 저해상도 모델을 사용하고, 가까이 오면 고해상도 모델로 변경
- 가상 메모리와 RAM의 불필요한 사용을 줄이고 성능 최적화
- 오픈월드 게임에서 멀리 있는 건물이나 NPC가 저해상도로 표시됨
- 스카이림, 레데리2 같은 대규모 게임에서 사용됨

4. 데이터 압축 및 풀기 (Memory Compression)
- 데이터를 압축한 상태로 RAM에 저장하고, 필요할 때 풀어서 사용
- 압축된 데이터를 사용하면 가상 메모리 사용을 줄일 수 있음
- PS5는 Kraken 압축 알고리즘을 사용하여 빠른 로딩 지원
- 유니티에서는 Addressables 시스템을 활용하여 필요할 때만 데이터 로드 가능

5. 비동기 로딩 (Asynchronous Loading)
- 게임이 실행되는 동안 백그라운드에서 데이터를 미리 불러와 RAM을 효율적으로 사용
- 가상 메모리에 의존하는 대신, 필요한 데이터를 미리 RAM에 올려서 로딩 지연을 줄임
- 유니티의 Resources.LoadAsync(), 언리얼 엔진의 Async Loading System

1-3. 저장장치 (Storage)

- HDD (하드디스크 드라이브) : 물리적 디스크, 느리지만 용량 큼
- SSD (솔리드 스테이트 드라이브) : 반도체 기반, 빠르고 안정적
- NVMe SSD : PCle 인터페이스로 연결되어 기존 SSD보다 더 빠름

SSD가 빠른 이유는 기계식 회전 없이 전자적으로 데이터 접근이 가능하고 병렬 처리가 가능하기 때문

1-4. I/O 장치 (Input/Output Devices)

- 입력장치 : 키보드, 마우스, 터치스크린
- 출력장치 : 모니터, 프린터, 스피커
- 네트워크 장치 : LAN 카드, Wi-Fi 모듈

2. 컴퓨터의 작동 원리

1. 사용자가 프로그램 실행
2. 프로그램이 RAM에 로드
3. CPU가 명령어를 해석하고 실행
4. 결과를 저장 장치 또는 화면에 출력

CPU와 메모리간 데이터 이동은 버스(Bus)를 통해 이루어짐