[컴퓨터 구조] 메모리[0] - 메모리의 기술과 메모리 계층구조

 

 

 

 

 

 

컴퓨터가 처음 나왔을 때부터 프로그래머들의 꿈은 한없이 큰 빠른 메모리였습니다.

이번에는 위 꿈을 이루기 위한 무한한 크기의 빠른 메모리가 있는 듯한 환상을 만들어내는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 지역성 (Locality)

프로그램은 어떤 특정한 시간에는 주소 공간 내의 비교적 작은 부분만을 사용합니다.

프로그램은 최근에 접근했던 데이터들을 다시 사용하려는 경향을 보이며, 또한 최근에 접근했던 데이터에 인접한 데이터들을 접근하려는 경향을 가집니다.

이를 지역성의 원칙이라 부르며, 다음과 같이 두 종류로 나누어 볼 수 있습니다.

 

 

👉 시간적 지역성(Temporal Locality)

한 번 참조된 항목은 가까운 시간 내에 다시 참조될 가능성이 높습니다.

 

 

 

👉 공간적 지역성(Spatial Locality)

어떤 항목이 참조되면 그 근처에 있는 다른 항목들이 곧바로 참조될 가능성이 높습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 메모리 계층구조

컴퓨터의 메모리를 메모리 계층구조로 구현함으로써 지역성의 원칙을 이용할 수 있습니다.

 

메모리 계층구조는 서로 다른 속도와 크기를 갖는 여러 계층의 메모리로 구성되어 있습니다.

메모리는 빠를수록 가격이 비싸지므로, 빠른 메모리의 크기는 비교적 작아집니다.

메모리 계층구조. 프로세서로부터 멀어지면 그 크기가 점점 커진다

 

메모리 계층구조의 기본 구성

 

위 그림에서 빠른 메모리는 프로세서에 가깝게 두고, 느리고 싼 메모리를 그 아래에 두었습니다.

메모리 계층구조의 목적은 사용자에게 가장 빠른 메모리의 접근 속도를 제공하면서 동시에 가장 싼 메모리만큼의 용량을 제공하는 것입니다.

 

메모리 계층구조에서는 최근에 접근했던 데이터들을 프로세서 가까이 적재함으로써 시간적 지역성을 이용합니다.

또한 필요한 데이터뿐만 아니라 이와 인접한 다량의 데이터들로 이루어진 블록을 메모리의 상위 계층으로 옮김으로써 공간적 지역성을 이용합니다.

 

메모리 계층구조는 여러 계층으로 구성되지만, 데이터는 인접한 두 계층 사이에서만 한 번에 복사가 됩니다.

 

따라서 이제부터는 계층을 2개로 한정하여 살펴보도록 하겠습니다.

한 쌍의 메모리 계층에는 상위 계층과 하위 계층이 있다고 생각할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 용어 정리

👉 블록(Block) / 라인(Line)

메모리 계층 간 데이터 전송의 최소 단위를 블록(block) 또는 라인(line)이라고 부릅니다.

 

 

 

 

👉 적중(hit) & 실패(miss)

프로세서가 데이터를 상위 계층에 메모리에 요청하였을 때, 해당 데이터가 존재한다면 이를 적중(hit)했다고 부릅니다.

프로세서가 데이터를 상위 계층에 메모리에 요청하였을 때, 해당 데이터가 존재하지 않는다면 실패(miss)했다고 부릅니다.

 

 

 

 

👉 적중률(hit ratio) & 실패율(miss ratio)

적중률은 메모리 접근 중 상위 계층에서 찾을 수 있는 것의 비율을 의미합니다.

실패율은 메모리 접근 중 상위 계층에서 찾을 수 없는 것의 비율을 의미합니다.
따라서 실패율 = 1 - 적중률 입니다.

 

 

 

 

 

👉 적중 시간(hit time)

메모리 계층구조의 상위 계층을 접근하는데 걸리는 시간 + 접근이 적중하였는지 실패하였는지를 결정하는 데 필요한 시간

 

 

 

 

 

👉 실패 페널티(Miss Penalty)

하위 계층에서 해당 블록을 가져와서 상위 블록과 교체하는 시간 + 그 블록을 프로세서에 보내는 데 걸리는 시간

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 메모리 기술

오늘날 사용되는 메모리 기술로는 DRAM, SRAM, Flash Memeory, Disk이 있습니다.

 

메인 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)으로 구현됩니다.

캐시는 SRAM(Static Random Access Memory)이 사용됩니다.

 

DRAM은 SRAM보다 훨씬 느리지만, 가격은 더 쌉니다.

 

플래시 메모리는 비휘발성이며, 개인 휴대용 기기에서 2차 메모리로 사용됩니다.

 

마지막으로는 자기 디스크로 서버에서 가장 크고 가장 느린 계층을 구현하는데 사용합니다.

 

다음 표는 메모리 기술과 그들의 접근 속도, 가격을 나타내는 표입니다.

 

 

 

 

 

 

 

👉 SRAM 기술

SRAM은 읽기나 쓰기를 제공할 수 있는 접근 포트가 일반적으로 하나가 존재하는 메모리 배열로 구성된 집적회로입니다.

SRAM의 읽기 접근시간과 쓰기 접근시간 사이에는 차이가 있을 수 있지만, 어떠한 데이터든지 접근 시간은 동일합니다.

 

SRAM은 전원이 공급되는 한 그 내용이 계속 보존되며 Refresh가 필요 없기 때문에 접근 시간은 사이클 시간과 거의 동일합니다.

SRAM은 읽을 때 정보가 바뀌지 않게 하기 위하여 비트당 6개에서 8개의 트랜지스터를 사용합니다.

 

또한 대기 모드에서 데이터 값을 유지하기 위하여 최소한의 전력만을 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

👉 DRAM 기술

SRAM 에서는 전원이 공급되는 한 그 값이 무한히 유지된다고 하였습니다.

그러나 DRAM에서는 셀에 기억되는 값이 전하 형태로 커패시터(축전기)에 저장됩니다.

저장된 값을 읽거나 새로운 값을 쓰기 위하여 저장된 전하를 접근하는 데 트랜지스터가 하나 필요합니다.

 

DRAM은 저장된 비트 하나당 트랜지스터 하나만 있으면 되기 때문에 SRAM에 비하여 훨씬 더 집적도가 높고 값도 쌉니다.

그러나 커패시터에 전하를 저장하므로 그 값을 무한히 유지할 수 없어 주기적으로 refresh 해주어야 합니다.

 

이러한 메모리 구조는 기억을 지속하지 못하기 때문에 SRAM의 정적(static) 저장과 반대로 동적(dynamic)이라고 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

👉 Flash Memeory

플래시 메모리는 전기적으로 지울 수 있고, 프로그래밍이 가능한 ROM(electrically erasable programmable ROM, EEPROM)의 한 종류입니다.

 

플래시 메모리의 쓰기는 비트를 마모시킨다는 단점을 가지고 있는데, 이를 보안하기 위해서 대부분의 플래시 메모리는 여러 번 쓰기가 수행된 블록을 덜 사용된 블록에 재사상(remapping)하여 쓰기를 분산시키는 컨트롤러를 사용합니다.

 

이를 마모 균등화(wear leveling)라고 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

👉 디스크 메모리

하드 디스크는 원판들로 구성되어 있으며, 원판은 분당 5400 번에서 15000번의 속도로 회전합니다.

하드 디스크상의 정보를 읽고 쓰기 위해서 읽기/쓰기 헤드라고 불리는 작은 전자기 코일을 갖고 있는 움직이는 암(arm)이 각 표면의 바로 위에 있습니다.