클럭 속도

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1. 개요
2. 역사
3. 결정 요인
- 3.1. 비닝 (Binning)
- 3.2. 엔지니어링
4. 평가 및 비교
5. 연구
참조

1. 개요

클럭 속도는 CPU의 작동 속도를 나타내는 지표이다. 1990년대 초 컴퓨터 회사들은 클럭 속도를 컴퓨터 성능의 주요 기준으로 삼았지만, 2000년대 이후에는 AMD가 모델 번호를 도입하고 인텔도 펜티엄 M 모바일 CPU와 펜티엄 4의 혼동을 피하기 위해 모델 번호를 사용하면서 클럭 속도만으로 성능을 평가하는 것이 어려워졌다. 클럭 속도는 수정 발진기의 주파수에 의해 결정되며, 오버클럭킹을 통해 성능을 높일 수 있지만, CPU의 안정성과 발열에 의해 제한된다. 클럭 속도 외에도 프론트 사이드 버스 속도, 램 클럭, 캐시 메모리 등 다양한 요소가 컴퓨터 성능에 영향을 미치며, 따라서 벤치마크를 통해 더 정확한 성능 평가가 이루어진다. 엔지니어들은 클럭 속도의 한계를 극복하고 더 효율적인 CPU 설계를 위한 연구를 지속하고 있다.

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클럭 속도
클럭 속도
정의	중앙 처리 장치(CPU)가 작동하는 빈도
측정 단위	헤르츠(Hz)
관련 용어	CPU 오버클럭 언더클럭
클럭 속도 측정
설명	클럭 속도는 CPU가 초당 수행할 수 있는 작업의 수를 나타낸다. 클럭 속도가 높을수록 CPU의 성능이 향상된다.
클럭 속도 영향 요소	CPU 아키텍처 캐시 크기 메모리 속도
오버클럭
설명	오버클럭은 CPU의 클럭 속도를 제조사가 설정한 기본값보다 높게 설정하는 것을 말한다.
장점	CPU 성능 향상
단점	CPU 수명 단축 시스템 불안정 발열 증가
언더클럭
설명	언더클럭은 CPU의 클럭 속도를 제조사가 설정한 기본값보다 낮게 설정하는 것을 말한다.
장점	전력 소비 감소 발열 감소 배터리 수명 연장 (노트북)
단점	CPU 성능 저하

2. 역사

최초의 완전 기계식 아날로그 컴퓨터 Z1은 1Hz(초당 사이클) 클럭 주파수로 작동했으며, 최초의 전자 기계식 범용 컴퓨터 Z3는 약 5–10Hz의 주파수로 작동했다. 최초의 전자식 범용 컴퓨터 ENIAC은 사이클링 유닛에서 100kHz 클럭을 사용했으며, 각 명령어가 20 사이클을 소요했기 때문에 명령어 처리 속도는 5kHz였다.

최초의 상업용 PC인 Altair 8800(MITS 제작)은 2MHz(초당 2백만 사이클)의 클럭 속도를 가진 인텔 8080 CPU를 사용했다. 이후, 생산 프로세서의 클럭 속도는 더 느리게 증가했으며, 성능 향상은 다른 설계 변경에서 비롯되었다.

2. 1. 초기 발전

1990년대 초, 대부분의 컴퓨터 회사는 CPU 클럭 속도를 컴퓨터 속도의 주요 기준으로 광고하였는데, 이는 숫자가 높을수록 처리 능력이 빠르다는 인식에서 비롯되었다.^[1]

2. 2. AMD의 모델 번호 도입

2000년 AMD는 인텔과의 경쟁에서 클럭 속도 대신 모델 번호를 사용하기 시작했는데, 이는 인텔의 어느 정도 높은 클럭 속도가 AMD의 조금 더 낮은 클럭 속도와 동등한 성능을 냈기 때문이었다.^[1]

2. 3. 인텔의 변화

2000년에 인텔의 경쟁자 AMD는 CPU 클럭 속도 대신 모델 번호를 사용하기 시작했는데, 이는 인텔의 어느 정도 높은 클럭 속도가 AMD의 조금 더 낮은 클럭 속도와 동등한 성능을 냈기 때문이었다.^[1] 2004년 인텔도 펜티엄 M과 펜티엄 4의 속도 혼동을 피하고자 모델 번호를 도입했다.^[1]

2. 4. 역사적 이정표 및 현재 기록

1981년경 최초의 IBM PC는 4.77MHz의 클럭 속도를 가졌다.^[5] 1992년, 휴렛 팩커드(Hewlett-Packard)와 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)은 RISC 기술을 사용하여 각각 PA-7100과 AXP 21064 DEC 알파에서 100MHz를 초과했다. 1995년, 인텔의 P5 펜티엄 칩은 100MHz로 작동했다. 2000년 3월 6일, AMD는 1GHz 기록을 넘는 것을 시연했다.^[5] 2002년에는 인텔 펜티엄 4 모델이 3GHz 클럭 속도인 최초의 CPU로 소개되었다.^[5]

2011년에 기록된 CPU 클럭 속도 최고 기록은 기네스 세계 기록으로, 오버클러킹된 AMD FX-8150 불도저 기반 칩을 LHe/LN2 극저온 배스에서 사용한 8.42938GHz였다.^[5]^[6] 공랭에서는 5GHz였다. 이는 2012년 11월, CPU-Z 오버클러킹 기록에서 LN2에 담근 AMD FX-8350 파일드라이버 기반 칩으로 달성된 8.79433GHz의 최고 CPU 클럭 속도를 넘어섰다.^[7]^[8] 이러한 기록은 2022년 말, 인텔 코어 i9-13900K를 9.008GHz로 오버클럭하면서 깨졌다.^[11]

2024년 1분기에 출시된 i9-14900KS는 생산 프로세서 중 최고 베이스 클럭 속도인 6.2GHz를 기록했다.^[12]

3. 결정 요인

CPU의 클럭 속도는 수정 발진기의 주파수에 의해 결정된다. 수정 발진기는 보통 고정된 정현파를 생성하여 주파수 기준 신호로 사용된다. 이 신호는 전자 회로를 통해 디지털 전자 제품에서 사용하기 위한 동일한 주파수의 구형파로 변환된다. CPU 배율을 사용하면 수정 기준 주파수의 고정된 배수로 변환할 수도 있다. CPU 내부의 클럭 분배 네트워크는 클럭 신호를 필요한 모든 부분으로 전달한다.^[4] 아날로그-디지털 변환기는 샘플링 속도 설정을 위해 유사한 시스템으로 구동되는 "클럭" 핀을 가진다.

CPU 수정체를 절반 주파수로 진동하는 다른 수정체로 교체하면("언더클럭킹") CPU 성능이 절반으로 줄고 폐열 발생량도 감소한다. 반대로, 발진기 수정체를 더 높은 주파수의 수정체로 교체하여 CPU 성능을 높이는 경우도 있다("오버클럭킹").^[4] 그러나 오버클럭킹 정도는 각 펄스 후 CPU 안정화 시간 및 추가 발생 열에 의해 제한된다.

각 클럭 펄스 후, CPU 내부 신호 라인은 새로운 상태로 안정될 시간이 필요하다. 즉, 모든 신호 라인이 0에서 1로, 또는 1에서 0으로 전환을 완료해야 한다. 다음 클럭 펄스가 그 전에 오면 결과가 부정확해진다. 전환 과정에서 일부 에너지는 (대부분 구동 트랜지스터 내부에서) 열로 소모된다. 복잡한 명령어를 실행하여 많은 전환이 발생하면 클럭 속도가 높을수록 더 많은 열이 발생한다. 트랜지스터는 과도한 열에 의해 손상될 수 있다.

정적 코어를 사용하지 않는 한, 클럭 속도에는 하한이 존재한다.

3. 1. 비닝 (Binning)

현대 프로세서 제조업체는 일반적으로 더 높은 클럭 속도로 작동하는 프로세서에 대해 더 높은 가격을 청구하는데, 이를 비닝이라고 한다.^[2]^[3] CPU의 클럭 속도는 제조 공정의 마지막 단계에서 각 프로세서를 테스트하여 결정된다. 칩 제조업체는 "최대 클럭 속도" 사양을 게시하며, 가장 복잡한 명령을 가장 오래 걸리는 데이터 패턴으로 실행할 때조차(최저 성능을 제공하는 온도 및 전압에서 테스트) 해당 사양을 충족하는지 확인하기 위해 칩을 판매하기 전에 테스트한다. 주어진 일련의 표준을 준수하도록 성공적으로 테스트된 프로세서는 더 높은 클럭 속도(예: )로 표시될 수 있으며, 더 높은 클럭 속도의 표준을 통과하지 못했지만 더 낮은 클럭 속도의 표준을 통과한 프로세서는 더 낮은 클럭 속도(예: 3.3GHz)로 표시되어 더 낮은 가격으로 판매될 수 있다.

3. 2. 엔지니어링

CPU의 클럭 속도는 일반적으로 수정 발진기의 주파수에 의해 결정된다. 보통 수정 발진기는 고정된 정현파를 생성하며, 이는 주파수 기준 신호 역할을 한다. 전자 회로는 이를 디지털 전자 제품에 사용하기 위해 동일한 주파수의 구형파로 변환한다(또는 CPU 배율을 사용할 경우, 수정 기준 주파수의 고정된 배수로 변환한다). CPU 내부의 클럭 분배 네트워크는 해당 클럭 신호를 필요한 모든 부분으로 전달한다.^[4] 아날로그-디지털 변환기는 샘플링 속도를 설정하기 위해 유사한 시스템에 의해 구동되는 "클럭" 핀을 가지고 있다.

특정 CPU의 경우, 수정체를 절반 주파수로 진동하는 다른 수정체로 교체하면("언더클럭킹") 일반적으로 CPU가 절반의 성능으로 작동하며 CPU에서 생성되는 폐열이 감소한다. 반대로, 일부 사람들은 발진기 수정체를 더 높은 주파수 수정체로 교체하여 CPU의 성능을 높이려고 시도한다("오버클럭킹").^[4] 그러나 오버클럭킹의 정도는 각 펄스 후 CPU가 안정되는 시간과 추가로 발생하는 열에 의해 제한된다.

각 클럭 펄스 후, CPU 내부의 신호 라인은 새로운 상태로 안정될 시간이 필요하다. 즉, 모든 신호 라인이 0에서 1로, 또는 1에서 0으로 전환을 완료해야 한다. 다음 클럭 펄스가 그 전에 오면 결과가 부정확해진다. 전환 과정에서 일부 에너지는 열로 소모된다(대부분 구동 트랜지스터 내부). 많은 전환을 유발하는 복잡한 명령어를 실행할 때, 클럭 속도가 높을수록 더 많은 열이 발생한다. 트랜지스터는 과도한 열에 의해 손상될 수 있다.

완전히 정적 코어가 사용되지 않는 한 클럭 속도에도 하한이 있다.

4. 평가 및 비교

클럭 속도가 반드시 컴퓨터의 속도를 좌우하는 것은 아니다. 컴퓨터의 성능을 측정할 때 CPU의 클럭 속도도 중요하지만, 프론트 사이드 버스 속도, 램 클럭, CPU 버스, L1/L2/L3 캐시의 양 등 다른 하드웨어/소프트웨어 구성에 의해 더 큰 영향을 받는다. 더 정확한 평가를 위해 벤치마크를 사용한다.

CPU 클럭 속도는 동일 제품군 내의 CPU를 비교하는 데 가장 유용하다. 클럭 속도는 서로 다른 제품군의 프로세서를 비교할 때 성능에 영향을 미칠 수 있는 여러 요인 중 하나일 뿐이다. 예를 들어, 50MHz로 작동하는 인텔 80486 CPU가 장착된 IBM PC는 동일한 CPU와 25MHz로 작동하는 메모리를 사용하는 PC보다 약 두 배 빠르지만 (내부적으로만) 같은 클럭 속도로 작동하는 MIPS R4000의 경우는 그렇지 않다. 두 프로세서는 서로 다른 아키텍처와 마이크로아키텍처를 구현하기 때문이다. 또한, "누적 클럭 속도" 측정값은 때때로 총 코어 수에 총 클럭 속도를 곱하여 계산한다(예: 듀얼 코어 2.8GHz 프로세서는 누적 5.6GHz로 작동). CPU 성능을 비교할 때는 CPU의 데이터 버스 폭, 메모리 지연 시간, 캐시 아키텍처 등 고려해야 할 다른 많은 요인들이 있다.

일반적으로 클럭 속도만으로는 서로 다른 CPU 제품군의 성능을 정확하게 측정할 수 없다. 소프트웨어 벤치마크가 더 유용하다. 클럭 속도는 서로 다른 CPU가 한 사이클에서 처리할 수 있는 작업량이 다르기 때문에 때로는 오해의 소지가 있을 수 있다. 예를 들어, 슈퍼스칼라 프로세서는 (평균적으로) 사이클당 여러 개의 명령을 실행할 수 있지만, 클럭 사이클에서 "더 적은" 작업을 하는 경우도 드물지 않다. 또한, 서브스칼라 CPU 또는 병렬 처리를 사용하면 클럭 속도와 관계없이 컴퓨터 성능에 영향을 미칠 수 있다.

5. 연구

엔지니어들은 클럭 속도의 한계를 늦추고, 조금 더 빠르게 정착하거나 전환 시 에너지를 조금 덜 사용하는 CPU를 설계하는 새로운 방법을 계속해서 찾아내고 있으며, 조금 더 높은 클럭 속도로 작동할 수 있는 새로운 CPU를 생산하고 있다. 전환 시 에너지의 궁극적인 한계는 가역 컴퓨팅에서 연구된다.

최초의 완전 가역 CPU인 펜듈럼(Pendulum)은 1990년대 후반 MIT에서 표준 CMOS 트랜지스터를 사용하여 구현되었다.^[13]^[14]^[15]^[16]

엔지니어들은 또한 이전 CPU와 동일하거나 더 낮은 클럭 속도로 작동하더라도, 클럭 사이클 당 더 많은 명령어를 완료하도록 CPU를 설계하여 더 낮은 CPI (명령어당 사이클 또는 클럭 사이클)를 달성하는 새로운 방법을 계속해서 찾고 있다. 이는 코드의 명령어 수준 병렬 처리를 활용하려는 명령어 파이프라인 및 비순차적 실행과 같은 아키텍처 기술을 통해 달성된다.

참조

_[1] FOLDOC Clock
_[2] 특허 Optimization of die placement on wafers http://www.google.co[...]
_[3] 특허 Method and apparatus for optimizing production yield and operational performance of integrated circuits http://www.google.co[...]
_[4] 웹사이트 Overclocking Guide Part 1: Risks, Choices and Benefits : Who Overclocks? http://www.tomshardw[...] 2006-12-11
_[5] 웹사이트 Highest clock frequency achieved by a silicon processor https://www.guinness[...]
_[6] 웹사이트 AMD Breaks 8 GHz Overclock with Upcoming FX Processor, Sets World Record with AMD FX 8350 https://web.archive.[...] HotHardware 2012-04-28
_[7] 웹사이트 CPU-Z Validator – World Records https://valid.x86.fr[...]
_[8] 웹사이트 8.79GHz FX-8350 is the Fastest Ever CPU | ROG – Republic of Gamers Global https://rog.asus.com[...]
_[9] 뉴스 AMD's Ryzen rules overclocking world records… but can't beat a 5 year-old chip https://www.pcgamesn[...] 2021-11-23
_[10] 웹사이트 CPU Frequency: Hall of Fame https://hwbot.org/be[...] HWBOT 2021-11-23
_[11] 뉴스 "Overclockers surpassed the elusive 9GHz clock speed. Here's how they did it" https://www.digitalt[...] 2023-01-20
_[12] 웹사이트 Products formerly Raptor Lake https://www.intel.co[...] 2024-07-05
_[13] 웹사이트 The Reversible and Quantum Computing Group (Revcomp) https://www.cise.ufl[...] 2024-03-17
_[14] 웹사이트 Backward to the Future http://www.drdobbs.c[...] 2024-03-17
_[15] 문서 Reversible Computing: A Requirement for Extreme Supercomputing http://www.zettaflop[...]
_[16] 문서 Theory, Synthesis, and Application of Adiabatic and Reversible Logic Circuits For Security Applications http://scholarcommon[...] 2014
_[17] FOLDOC Clock