프로세서 (컴퓨팅)

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1. 개요

프로세서(Processor)는 컴퓨터의 핵심 부품으로, 명령어를 해석하고 실행하여 데이터를 처리하는 장치이다. 프로세서는 무어의 법칙에 따라 성능이 지속적으로 향상되어 왔다.

프로세서의 종류로는 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 디지털 신호 처리 장치(DSP) 등이 있으며, 특정 기능을 수행하도록 설계된 다양한 특수 목적 프로세서도 존재한다. 프로세서는 물리적 형태(마이크로프로세서, SoC, MPU)와 명령어 구조(RISC, CISC)에 따라 분류될 수 있다. 또한, 벡터 프로세서, 소프트 프로세서, 프론트 엔드 프로세서 등 다양한 형태와 기능을 가진 프로세서들이 존재한다.

프로세서 (컴퓨팅)

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1. 개요
2. 무어의 법칙
3. 프로세서의 종류
4. 프로세서의 형태
5. 프로세서의 명령어 구조
6. 기타

2. 무어의 법칙

무어의 법칙은 고든 무어가 제시한 것으로, 집적 회로 내 트랜지스터의 수와 프로세서 성능이 2년마다 두 배로 증가한다는 관찰 및 예측이다. 프로세서의 발전은 무어의 법칙을 매우 잘 따랐다.

3. 프로세서의 종류

프로세서는 그 기능과 역할에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 크게 기본적인 역할에 따라 CPU와 코프로세서로 나눌 수 있다.

* CPU(중앙 처리 장치): 컴퓨터에서 주요 역할을 수행하는 프로세서이다.
* 코프로세서: 컴퓨터 내부에서 보조적인 역할을 하는 특정 용도에 특화된 프로세서이다. FPU, GPU 등이 코프로세서에 해당한다.

마이크로프로세서는 형태에 따른 분류에서는 마이크로프로세서이며, 컴퓨터 내에서 주요 칩으로 사용되는 경우에는 기능(역할)에 따른 분류로는 CPU이다.

* 물리적인 프로세서의 형태별 분류
마이크로프로세서: 마이크로칩 위에 구현된 CPU
SoC / System-on-a-chip: 마이크로칩 위에 구현된 CPU + 시스템 요소
MPU / 마이크로컨트롤러: 마이크로칩 위에 구현된 CPU + 메모리 + I/O. 저전력 지향

* (마이크로프로세서에 관하여) 명령어에 따른 분류
RISC: 고정 길이의 소수의 단순한 명령어만을 갖추고, 실행 효율을 향상시키는 설계 및 해당 설계의 프로세서.
CISC: 복잡하고 고도화된 기능을 가진 명령어를 최대한 많이 준비하는 설계 및 해당 설계의 프로세서.

그 외 다양한 프로세서가 존재한다.
* 사운드 칩 및 사운드 카드는 오디오를 생성하고 처리하는 데 사용된다.
* 딥 러닝 프로세서는 신경망 처리 장치와 같이 딥 러닝 계산을 효율적으로 수행하도록 설계되었다.
* 물리 처리 장치(PPU)는 특히 비디오 게임에서 물리 관련 계산을 효율적으로 수행하도록 제작되었다.
* 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 제조 중에 특정 응용 분야에 고정되는 대신 다양한 목적으로 재구성할 수 있는 특수 회로이다.
* 시너지 프로세싱 엘리먼트(SPE 또는 SPU)는 Cell (마이크로프로세서) 마이크로프로세서의 구성 요소이다.
* 양자 프로세서는 양자 물리학을 사용하여 고전적인 컴퓨터에서는 불가능한 알고리즘을 가능하게 한다. 광자 프로세서는 광자를 사용하여 계산을 수행한다.

* 기타, 상품명 등
SPU/음성 처리 장치: PlayStation의 음원에 사용되었다.
PPU: 패밀리 컴퓨터 및 슈퍼 패미컴에서의 이미지 처리 장치
AMD Accelerated Processing Unit(AMD APU): CPU와 GPU를 온다이로 통합하고 있다. APU라는 명칭은 AMD의 마케팅 용어이지만, 인텔의 GPU 내장 CPU와 달리 CPU와 GPU의 메모리 공간을 통합한 제품도 있다.

3.1. 중앙 처리 장치 (CPU)

중앙 처리 장치(CPU)는 대부분의 컴퓨터에서 주요 프로세서이다. CPU는 특정 도메인 작업이 아닌 다양한 일반 컴퓨팅 작업을 처리하도록 설계되었다. 폰 노이만 구조를 기반으로 하는 경우 최소한 제어 장치(CU), 산술 논리 장치(ALU) 및 프로세서 레지스터를 포함한다. 실제적으로 개인용 컴퓨터의 CPU는 일반적으로 마더보드를 통해 주 메모리, 하드 디스크 드라이브 또는 기타 영구 저장 장치, 주변 장치 (예: 컴퓨터 키보드 및 컴퓨터 마우스)에 연결된다.

기능별 프로세서 분류는 다음과 같다.

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기능별 프로세서
약칭	명칭	기능 (역할)	용도
FPU	부동 소수점 연산 장치	부동 소수점 수 연산
GPU	그래픽스 처리 장치	이미지 처리, 혹은 병렬 처리 전반 (GPGPU)	3DCG렌더링, 데이터 압축/전개, 딥 러닝, 암호화폐의 채굴 등
DSP	디지털 신호 프로세서	신호 처리	A/D 변환, 음향 신호 처리. 전자 악기, 디지털 카메라 등
	아날로그 오디오 프로세서	아날로그 음향 신호 처리	서라운드 음향, 톤·컨트롤, 밸런스 컨트롤
	래스터 이미지 프로세서	래스터 이미지 처리
	네트워크 프로세서	네트워크 애플리케이션 처리
PPU	물리 연산 유닛	물리 연산	컴퓨터 게임 내의 물리 연산, 충돌 판정 등
	주변 장치용 프로세서	입출력
	데이터 통신 프로세서	통신

기타 기능별 분류(소프트웨어를 포함)는 다음과 같다.
* 벡터 프로세서: 수치 계산을 파이프라인 방식으로 수행하는 장치

3.2. 그래픽 처리 장치 (GPU)

그래픽 처리 장치(GPU)는 선형 대수를 포함한 컴퓨터 그래픽 작업을 효율적으로 수행하도록 설계된 프로세서이다. 고도로 병렬적인 특성을 가지며, 원래 그래픽 처리를 위해 만들어졌지만, 시간이 지남에 따라 머신 러닝과 같은 분야로 응용 범위가 확장되어 중요한 하드웨어 구성 요소가 되었다.

GPU는 이미지 처리, 특히 3DCG렌더링에 특화되어 있다. 또한, 데이터 압축/전개, 딥 러닝, 암호화폐의 채굴 등 병렬 처리가 필요한 다양한 분야에서 활용된다.

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GPU의 기능 및 용도
기능 (역할)	용도
이미지 처리, 병렬 처리 (GPGPU)	3DCG렌더링, 데이터 압축/전개, 딥 러닝, 암호화폐의 채굴

3.3. 디지털 신호 처리 장치 (DSP)

디지털 신호 프로세서(DSP)는 디지털 신호를 처리하는 데 특화된 프로세서이다. 주로 A/D 변환, 음향 신호 처리 등에 사용되며, 전자 악기, 디지털 카메라 등 다양한 기기에 활용된다. 이미지 신호 프로세서는 이미지 처리에 특화된 DSP의 일종이다.

3.4. 기타 프로세서

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기능별 프로세서 분류
약칭	명칭	기능 (역할)	용도	특성
FPU	부동 소수점 연산 장치	부동 소수점 수 연산
PPU		물리 연산	컴퓨터 게임 내의 물리 연산, 충돌 판정 등
TPU	텐서 처리 장치	인공지능 연산		구글(Google)에서 개발
NPU	신경망 처리 장치	인공신경망 연산		AI 가속기라고도 불림
VPU	비전 처리 장치	이미지 및 비디오 처리
	래스터 이미지 프로세서	래스터 이미지 처리
	네트워크 프로세서	네트워크 애플리케이션 처리
	주변 장치용 프로세서	입출력
	데이터 통신 프로세서	통신

4. 프로세서의 형태

* 마이크로프로세서: 마이크로칩 위에 구현된 CPU이다.
* SoC (System-on-a-chip): 마이크로칩 위에 CPU와 시스템 요소를 통합한 형태이다.
* MPU (마이크로컨트롤러): 마이크로칩 위에 CPU, 메모리, 입출력(I/O)을 통합한 형태로, 저전력 지향이다.

5. 프로세서의 명령어 구조

프로세서는 명령어 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

* [[RISC]](Reduced Instruction Set Computer, 축소 명령어 집합 컴퓨터): 짧고 단순한 명령어를 사용하여 실행 효율을 높이는 방식이다.
* [[CISC]](Complex Instruction Set Computer, 복합 명령어 집합 컴퓨터): 복잡하고 다양한 명령어를 사용하여 기능을 높이는 방식이다. 원래 마이크로프로세서는 모두 이 설계 기법에 의한 것으로 '당연한 것'이었기 때문에 이름도 없었지만, RISC라는 설계 기법이 발명된 후 기존의 설계 기법을 부르기 위해 CISC라는 단어를 조어했다.

6. 기타

* 기능별 분류 (소프트웨어 포함)
벡터 프로세서: 수치 계산을 파이프라인 방식으로 수행하는 장치이다.
소프트 프로세서 (소프트 마이크로프로세서)
프론트 엔드 프로세서
프리프로세서 / 포스트 프로세서
프로그래밍 언어 프로세서
워드 프로세서

* 상품명 등
SPU (sound processing unit^영어): PlayStation의 음원에 사용된 명칭이다.
PPU (Picture Processing Unit^영어): 패밀리 컴퓨터 및 슈퍼 패미컴에 사용된 이미지 처리 장치이다.
** AMD Accelerated Processing Unit(AMD APU): CPU와 GPU를 온다이로 통합한 AMD의 프로세서이다. 인텔의 GPU 내장 CPU와 달리, CPU와 GPU의 메모리 공간을 통합한 제품도 있다.