컴퓨터의 전력 소비 및 무어의 법칙

• Power Trends

• Clock rate가 어느 순간 더이상 오르지 않는 모습을 볼 수 있는데, 이는 계속해서 클럭 레이트를 올리다 보면 power에 비례하기 때문에 power가 너무 커져버려서 감당할 수 없는 열이 발생할 수 있기 때문이다
• power는 30배 증가한 반면 clock rate는 1000배 가량 증가할 수 있었던 이유는 뭘까?
  => Power = Capacitive load * Voltage^2 * Frequency
• 파워는 30배 증가하고 frequency는 1000배가 늘었지만 제곱하여 비례하는 voltage의 경우 5V에서 1V로 줄었기 때문에 clock rate에 비해 power가 크게 늘어나지 않음
• 다시 말하자면 clock rate를 늘리고 싶은데 power 때문에 늘릴 수 없는 상황
  => V를 줄이면 되지 않냐? 이미 5V에서 0.8V까지 줄어든 상태다. 거의 한계치
  => 그래서 현재 power는 frequency와 직결되어 있다고 봐도 무방하다.

 

 

• Reducing Power (파워를 줄이는 방법)

• 새로운 CPU를 가정해보자

1. has 85% of capacitive load of old CPU 
2. 15% voltage and 15% frequency reduction 

• Power = CV^2f
• P new / P old = C old * 0.85 * (V old * 0.85^2) * F old * 0.85 / C old * V old^2 * F old = 0.85^4 = 0.52

• voltage를 더 이상 줄일 순 없다. 그렇다면 어떻게 성능을 증가시킬 수 있을까?
  => Multi-core를 이용해 해결할 수 있다!

 

• Uniprocessor Performance (단일 프로세스 성능)

• Power 때문에 많이 늘어나지 못함. 하지만 게임, 고성능 프로그램 등으로 성능 향상은 반드시 이루어져야 하는 상황 => 그래서 Multi-core가 나타남

 

• Multiprocessors (멀티 프로세서)

• Core : 독립적인 애플리케이션을 실행할 수 있는 독립적인 프로세서
• 멀티 프로세서는 말 그대로 프로세서가 여러 개를 뜻한다.
• Multicore microprocessors : 칩마다 프로세서가 하나 이상
• multi-core라고 해도 하나의 프로세서가 실행될 때 나머지 프로세서는 놀고있다. 그래서 parallel programming(병렬 프로그래밍)이 요구된다

 

• 무어의 법칙

• The performance Number of Transistors will double every 2 years.
• 약 2년마다 최소한의 비용 증가로 반도체 집적회로에 집적할 수 있는 트랜지스터 숫자가 두 배씩 증가한다는 관측
• 무어의 법칙이 중요한 이유는 경제와 연관이 있기 때문이다.
• 2년마다 CPU의 성능이 드라마틱하게 증가하기 때문에 사람들은 새로운 컴퓨터를 소비할 것이며 이는 CMOS 기술의 발전을 불러온다.

Cf) CMOS : 마이크로프로세서나 S램 등 디지털 회로를 구성하는데 사용되는 집적 회로의 한 종류, 반도체의 하나

 

 

• Eight Great Ideas (in Computer Architecture) 컴퓨터 구조의 8가지 아이디어

• Design for Moore’s Law : 컴퓨터 설계에는 수 년이 걸리기 때문에 향상되는 집적회로의 성능을 고려하는 설계를 해야한다.
• Use abstraction to simplify design : 무어의 법칙에 따른 집적회로의 성능의 향상에 의해 설계 시간 또한 길어지게 되는데 이를 방지하기 위해 새로운 기술인 추상화를 사용. 이는 하위 수준의 디테일을 보이지 않게 해 상위 수준의 모델을 단순화하는 설계 기술
• Make the common case fast : 드물게 발생한는 case를 최적화하는 것보다 자주 발생하는 case를 단순화하는 것이 성능향상에 도움이 됨
• Performance via parallelism : 하나의 일을 처리하는 동시에 다른 일을 함께 처리하는 병렬처리의 방식을 통해 성능의 발전을 이루어왔음
• Performance via pipelining : 컴퓨터 구조에서 흔하게 볼 수 있는 병렬성의 한 형태로 파이프라이닝을 통해 성능의 발전을 이루어왔음
• Performance via prediction : 예측을 통해 성능의 발전을 이루어왔음
• Hierarchy of memories : 최근 컴퓨터 비용 문제의 가장 주요한 요소는 메모리 비용! 이를 해결하기 위해 메모리 계층화를 사용하는데 빠르고 작고 가장 비싼 메모리는 top에 위치시키고 느리고 크고 가장 싼 메모리는 bottom에 위치시키는 형태로 메모리를 설계
• Dependability via redundancy (for reliability) : 문제 소지를 대체할 수 있는 여유분을 포함시키는 설계를 통해 신뢰도를 개성