인사이드 머신

현대 컴퓨터의 실리콘 심장! 그 내부를 들여다보자.

최근 아마존 컴퓨터 인터넷 부문 탑 셀러에 랭크된 이 책은 매우 훌륭한 컴퓨터 아키텍처 책으로 명료한 설명과 논리적인 구성에 최신 내용을 담고 있다. 마이크로프로세서 분야에서 몇 년의 실무 경험이 있는 사람도 새로 배우는 내용이 있을 정도로 교육적이며 쉽게 기술되어 있어 이 분야에 관한 지식이 필요한 학생이나 직장인에게 필수적인 책이다. 특히 컬러로 된 그림들과 저자의 친절한 설명은 이 책을 읽는 재미를 배가해준다. 굳이 수 년간 대학에서 이 분야를 전공하지 않고서도 마이크로프로세서 설계에 대해 알고 싶은 사람들에게 강력히 추천할만하다.


[ 이 책에서 다루는 내용 ]

♦ 컴퓨터와 마이크로프로세서의 구성 요소
♦ 프로그래밍의 기초(산술 명령어, 메모리 명령어, 제어 명령어, 데이터 타입)
♦ 중상급 마이크로프로세서 개념(분기 예측 및 예측 수행)
♦ 중상급 컴퓨터 개념(ISA, CISC 및 RISC, 메모리 계층, 명령어 인코딩 및 디코딩)
♦ 64비트 컴퓨터와 32비트 컴퓨터 비교
♦ 캐쉬와 컴퓨터 성능

[ 이 책에서 다루는 프로세서 ]

♦ 인텔 오리지널 펜티엄 및 펜티엄 프로
♦ 인텔 펜티엄 II, 펜티엄 III
♦ 인텔 펜티엄 4
♦ 인텔 펜티엄 M, 코어 듀오, 코어 2 듀오
♦ 파워PC 600 시리즈 및 700 시리즈, 7400
♦ 모토로라 G4e 및 G5(파워4)


[ 추천의 글 ]

프로세서 구조를 다루는 많은 책들이 있어 왔지만, 근래에 보기 드문 좋은 책이 나왔다. 이 책은 자세하고 멋진 일러스트레이션과 함께 프로세서가 동작하는 구조를 아주 명쾌하게 설명하고 있다. 저자는 프로세서의 기본 구성과 동작원리를 쉽게 설명하기 위해 DLW-1라는 단순한 가상 프로세서를 예로 들고 있다. 이런 단순화한 접근 방법은 처음으로 프로세서 구조를 공부하고자 하는 학생이나 엔지니어, 심지어 비전공자까지도 프로세서의 구조를 쉽게 이해할 수 있게 도와준다.

지금은 프로세서의 구조와 파이프라인, 캐쉬의 개념을 제대로 모르고서는 고급 소프트웨어 개발자라고 말하기 어려운 시대다. 일반 소비자들이 제품에 바라는 경험과 기대치는 날로 커지고 있다. PC에서 보던 동영상을 그대로 PMP에서 보기를 원하고 GUI도 좀더 화려해지기를 바란다. 심지어 PC에서 동작하는 플래시 컨텐츠를 휴대용 기기에서도 재생하기를 원하고 있다. 이렇듯 소비자의 기대치는 높아지고 있는 반면, 임베디드 제품에서 사용하는 프로세서의 능력에는 한계가 있다. 원가에 민감한 임베디드 제품을 개발할 때 프로세서가 제공하는 정해진 능력을 최대한 활용할 수 있는 소프트웨어를 작성하기 위해서는 프로세서를 숙지하고 세세히 이해하고 있어야 한다.

물론 이 책은 기본적으로 프로세서를 설계할 전공자들이 봐야 할 책이다. 하지만 그저 책을 훑어 읽어 내려가는 것만으로 프로세서 구조와 동작을 쉽게 이해할 수 있기 때문에 프로세서 설계와 관계 없는 소프트웨어 개발자도 이 책을 보면 많은 도움을 받을 수 있을 것이다. 특히 임베디드 소프트웨어 개발자라면 반드시 꼭 읽어야 한다. 이런 점에서 이 책은 컴퓨터공학을 전공하지 않은 소프트웨어 개발자에게도 많은 도움을 줄 것으로 확신한다.



[ 이 책의 구성 ]

『인사이드 머신: 그림으로 배우는 컴퓨터 아키텍처와 마이크로프로세서』는 컴퓨터 아키텍처 부분의 명저인 (하지만 읽기는 쉽지 않은) 헤네시와 패터슨의 책과, 컴퓨터 아키텍처를 본격적으로 알고 싶어하는 사람들이 보기에는 너무 쉬운 책들 사이의 간극을 메우기 위해 쓴 책이다. 컴퓨터를 좀 사용해본 독자들은(스크립트 언어라도, 일단 프로그램을 작성해본 경험이 있는 사람이라면) 이 책을 통해 오늘날 컴퓨터 프로세서가 어떤 식으로 동작하는지 깊이 있는 지식을 얻을 수 있을 것이다. 이 책을 읽고 난 독자는 혼자 힘으로도 앞서 소개한 헤네시와 패터슨의 책을 더욱 쉽게 읽을 수 있을 것이고, 대학교 정규 수업을 받으며 좀더 체계적인 지식을 쌓을 수 있게 될 것이다.

이 책은 여러 프로세서에서 같은 문제를 어떤 방식으로 해결하는지 비교해서 설명한다. 각 장은 앞 장의 내용을 알고 있다고 가정하고 쓰여 있기 때문에 초중급 독자는 가급적 앞에서부터 순서대로 읽기를 권한다. 한편 컴퓨터 아키텍처에 이미 상당한 지식이 있는 독자라면 원하는 내용만 골라 읽어도 괜찮다. 이 책은 각 장의 내용을 상세히 나눠놓아서, 원할 경우 특정 프로세서의 기능을 쉽게 참고할 수 있게 했다.

이 책의 1장에서 4장까지는 이후 실제 프로세서들에 대한 설명을 이해하기 위한 기본 개념을 설명했다. 여기에서는 DLW라는 매우 단순한 프로세서를 예로 들어 명령어와 데이터의 개념, 어셈블리 프로그래밍, 수퍼스칼라, 파이프라인, 프로그래밍 모델, 기계어 등에 대해 설명한다.

중반부는 인텔의 펜티엄 계열 프로세서와 IBM, 모토로라의 파워PC 계열 프로세서에 대해 설명한다. 이를 통해 독자는 각 프로세서 계열에서 마이크로아키텍처와 ISA가 어떤 식으로 진화해 왔는지 알 수 있다. 이 과정에서 실제 프로세서를 예로 들어 예측 수행, 벡터 처리, 명령어 변환 등의 고급 기법들에 대해 살펴볼 것이다. 중반부 설명에서 필자가 사용한 방법은 ‘비교 분석법’이다. 각 프로세서의 참신한 기능을 설명할 때면, 비슷한 문제를 해결하기 위해 경쟁 제품과 이전 제품들은 어떤 기법을 사용했었는지 비교해서 설명한다. 특히 7장과 8장에서는 각기 다른 접근 기법을 사용한 인텔의 펜티엄4와 모토로라의 MPC 7450(G4e)을 상세히 비교 분석했다.

9장에서는 64비트 컴퓨터에 대한 개념을 설명하고 널리 사용되는 x86 ISA에 대한 64비트 확장을 알아본다. 이어 10장에서는 최초로 출시된 64비트 프로세서인 IBM 파워PC 970에 대해 설명한다. 파워PC 970은 이 책에서 다루는 마지막 파워PC 계열의 프로세서로, 이에 대한 설명은 IBM의 파워4 메인프레임 프로세서에도 거의 동일하게 적용된다. 11장은 오늘날 대부분 컴퓨터에서 사용되는 메모리 계층의 구조와 기능에 대해 설명한다.

마지막 장인 12장은 인텔의 최신 프로세서인 펜티엄 M, 코어 듀오, 코어 2 듀오에 대해 알아본다. 12장에서는 책으로 출판된 자료나 인터넷상에서 공개된 자료를 통틀어 이들 프로세서에 대한 가장 상세한 부분까지 설명하고 있다. 심지어 일부 정보는 이 책을 통해 처음으로 공개된다.

[ 저자 서문 ]

“컴퓨터의 목적은 숫자가 아니라 통찰에 있다.”

1962년 수학자이자 컴퓨터의 선구자인 리처드 해밍이 이런 말을 했을 때, 디지털 컴퓨터의 시대는 아직 멀게만 느껴졌다. 전세계에 걸쳐 컴퓨터는 10,000대 정도에 불과했으며 너무 크고 비싸서 컴퓨터를 돌리기 위해 별도의 엔지니어 팀이 필요했다. 이렇게 거대한 컴퓨터에서 의미 있는 결과를 얻기 위해서는 많은 수의 숫자를 지루하게 입력하고 계산이 끝나기를 기다린 후, 0과 1로 이뤄진 결과를 해석해야만 했다. 해밍은 이 지루하고 괴로운 작업 속에서도, 실제 컴퓨터는 더 높은 단계의 무엇-세계를 바꿀 수 있는 통찰을 이뤄낼 수 있다고 믿었다.

인터넷이 세상을 바꿔놓은 오늘날 수많은 사람들은 통찰을 얻기 위해서 뿐 아니라, 항공권을 예매하고 포커를 치고 사진첩을 정리하거나 친구를 찾는 등 거의 모든 생활 분야에서 컴퓨터를 사용하고 있다. 오늘날 컴퓨터를 단지 수학적 용도로 사용하는 경우는 드물기 때문에, 40년 전 대부분의 컴퓨터가 수학 연산을 위해 사용되었다는 사실은 조금은 의외로 느껴질 수도 있다. 보통의 컴퓨터 사용자는 마이크로소프트나 애플의 운영체제에 기본으로 포함되어 있는 계산기를 거의 사용하지 않을 것이다. 하지만 놀랍게도 이 단순한 계산기 프로그램은 오늘날 컴퓨터의 동작을 거의 모두 설명해준다.

이 책을 읽고 나면, 내부의 수많은 계산 단계를 숨기기 위한 많은 계층이 들어 있는 오늘날의 컴퓨터도 결국 여전히 일종의 계산기에 불과하다는 사실을 깨닫게 될 것이다. 이 책에서는 먼저 컴퓨터의 기본 개념에 대해 설명한 후, 실제 프로세서를 기반으로 하여 우리가 매일 같이 사용하는 컴퓨터에서 명령어, 데이터, 연산 결과가 어떤 식으로 처리되는지 보여준다. 독자는 우리 주변의 다양한 마이크로프로세서가 어떤 설계 목표를 갖고 어떤 기법을 통해 만들어졌는지에 대해 깊이 있는 지식을 얻을 수 있을 것이다.

이 책은 대략 컴퓨터공학을 전공하는 학부생의 눈높이에 맞춰 쓰여졌다. 따라서 전체 큰 맥락을 쉽게 설명하되, 실제 우리 주변에서 찾을 수 있는 프로세서 제작에 사용된 주요 설계 원칙들에 대해서는 가급적 구체적인 예를 들도록 노력했다. 이 책에서 필자가 사용한 비교 분석적 방법론이 부디 독자 여러분들에게 여러 프로세서의 다양한 면모를 보여줄 수 있으면 좋겠다.


[ 저자 소개 ]

존 ‘한니발’ 스토크스
저자는 아르스 테크니카(Ars Technica)의 공동 설립자이자 수석 CPU 편집자이다. 마이크로프로세서 아키텍처와 개인용 컴퓨터에 대한 다양한 글을 써온 스토크스는 루이지애나 주립 대학에서 컴퓨터 공학 학사학위를 받았으며 하버드 대학 인문대에서 2개의 석사 학위를 받았다. 지금은 시카고 대학에서 박사 과정을 밟고 있다.


[ 역자 서문 ]

프로세서는 몹시 매혹적이고 독특한 물건이다. 엄지손가락만한 크기의 칩이 어지간한 TV보다 많은 전력을 소비하며 이삼 년마다 두 배씩 빨라진다. 세상에 쓰이지 않는 곳이 없고 엄청난 부가가치를 창출해낸다. 그래서 많은 사람들이 궁금해한다. 도대체 프로세서는 어떻게 동작하는가?

역자들도 마찬가지였다. 학부시절 컴퓨터 아키텍처 수업을 들으며 어느 정도 갈증을 해결하기는 했지만, 교과서는 우리가 사용하는 펜티엄 프로세서가 어떻게 동작하는지 알려주지 않았다. 학부 교과서에서 본 5단계 파이프라인 MIPS 프로세서와, 당시 새로 나온 펜티엄 III 프로세서 사이의 괴리는 너무나도 컸다. 그래서 우리는 결국 대학원에 진학했고 논문을 읽으며 실제 최신 프로세서가 어떻게 동작하는지를 조금이나마 알 수 있었다.

이 책 『인사이드 머신: 그림으로 배우는 컴퓨터 아키텍처와 마이크로프로세서』는 우리처럼 실제 프로세서가 어떻게 동작하는지 궁금해하는 사람들을 위해 쓰여졌다. 아마도 세상에서 가장 단순한 가상의 프로세서인 DLW-1으로 시작해서 1990년대의 펜티엄 계열의 프로세서와 파워PC 프로세서를 거쳐 출시된 지 얼마 안된 코어 2 듀오 프로세서에 이르기까지, 저자는 배경지식이 없는 초보자도 쉽게 이해할 수 있도록 수많은 프로세서의 동작 원리에 대해 친절하게 알려준다. 이 과정을 통해 여러분은 그 좋다는 파워PC 프로세서가 언젠가부터 왜 사라지기 시작했는지, 요즘 들어 프로세서의 클럭 속도는 왜 예전처럼 빨라지지 않는지에 대한 근본적인 이유를 알 수 있게 된다. 이 책이 나오기 전까지는 이 정도의 지식을 얻기 위해 수십 편의 논문을 읽고 고민해야 했었던 난제를 풀어주고 있는 것이다.

프로세서 설계자뿐 아니라 프로그래머에게도 컴퓨터 아키텍처는 매우 중요하다. 집약성과 캐쉬에 대한 고민 없이는 고성능 서버 프로그램을 작성하기 어렵고, 사용하는 프로세서에 대한 정확한 이해 없이 최적의 임베디드 시스템용 프로그램을 작성하는 것은 불가능하다. 여러분이 평소 하드웨어라면 손사래를 치는 프로그래머였다 하더라도 이 책을 통해 쉽고 재미있게 월등한 프로그래머로 자신을 업그레이드될 수 있을 것으로 믿는다.



[ 역자 소개 ]

전동환 / 안익진
1997년 대학 과 동기로 인연을 맺은 십년지기로, 현재 UC 샌디에고 컴퓨터 공학과의 같은 연구실에서 컴퓨터 아키텍처에 대한 연구를 하며 박사 과정을 밟고 있다. 마흔이 되기 전에 세상을 바꿀 수 있는 새로운 프로세서를 개발하는 것이 꿈이다.

단언컨대 이 책은 내가 지금까지 본 것 중 가장 훌륭한 컴퓨터 아키텍처 책이다. 명료한 설명에 논리적인 구성, 최신 내용을 담고 있다. 이 분야에 관한 지식이 필요한 학생이나 직장인을 위한 필독서이다.

이 책은 컴퓨터 아키텍처의 고전인, 하지만 읽기는 쉽지 않은 헤네시/패터슨의 저서와 엔지니어에게는 너무 기초적인 “컴퓨터는 어떻게 동작하는가” 류의 서적 사이의 간극을 메워주는 역할을 한다. 이 책은 읽기 쉬우며, 마이크로프로세서 분야에서 몇 년의 실무 경험이 있는 사람도 새로 배우는 것이 있을 정도로 교육적이다. 특히 컬러로 구성된 그림들은 정말 훌륭하다. 개인적으로 패터슨의 책을 볼 때처럼, 책을 읽기 위해 작심하고 각종 수학 지식을 복습하지 않고서도 책을 읽을 수 있었던 점을 높이 사고 싶다.

최신 프로세서 설계는 물론 아주 복잡하다. 하지만 저자의 설명이 훌륭해서 관련 분야 대학원 학위가 없는 사람이더라도 최신 프로세서의 설계를 잘 이해할 수 있을 것이다. 이 책을 다 읽을 때쯤이면, 2.8Ghz 프로세서가 3.2Ghz 프로세서보다 훨씬 빠를 수도 있음을 알게 될 것이다. 컬러로 된 그림들과 저자의 친절한 설명 덕분에 이 책은 ‘재미있게’ 읽을 수 있다. 수 년간 대학에 다니지 않고서도 마이크로프로세서의 설계에 대해 배울 수 있는 길이 이 책에 모두 담겨있다.

[ p21 세 번째 문단 ]
명령어의 1-3비트, 2-4비트는 연산코드이다.
→ 명령어의 1-3비트는 연산코드이다.

[ p22 상단 표 4행 ]
p.22 맨위의 표 4번째 항목
add A, D, C
→ sub A, D, C

[ p22 하단 표 3, 4행 ]
add 5, a, c
sub 25, d, c
→ add 5, A, C
sub 25, D, C

[ p23 표 ]
add C,8,A 10001000 00001000
→ load #12, A 10100000 00001100

[ p33 프로그램 2-3 코드 열]
sub A, B, C
jumpz #106
add A, B, C
→ sub A, B, A
jumpz #C
add A, 15, A

[ p57 '명령어 지연시간과 파이프라인 멈춤' 절 4행]
그림 3-6에서 시각적으로 → 그림 3-7에서 시각적으로

[ p64 세 번째 문단 1행 ]
클럭 당 1개 이상의 → 1개를 넘어선

[ p74 프로그램 4-1 2행 코드 열]
add A, B, C → add C, D, D

[ p96 아래에서 7행 ]
그림 5-3 → 표 5-3

[ p103 그림 5-9 ]


[ p106 2행 ]
x86 명령어는 → x86 명령어를

[ p111 아래에서 5행 ]
RISC 마이트로프로세스 → RISC 마이크로프로세스

[ p114 그림 6-1 ]


[ p136 1행 ]
604년 306의 → 604는 603의

[ p173 마지막 절 제목 ]
단순한 정수 벡터 유닛 → 단순한 정수 벡터 유닛(VSIU)

[ p182 그림 9-2 ]


[ p197 ● 항목 부분 ]
● 2개의 ~
● 2개 이상의 ~
→ ● 정확하게 2개의 ~
● 3개 이상의 ~

[ p206 ● 항목 부분 ]
● 부동소수점 명령어가 아닌 3개 이상의
→ ● 부동소수점 명령어가 아닌 4개 이상의

[ p220 네 번째 문단 3행 ]
230페이지 '시간/공간 집약성 다시 보기: 교체 정책 및 블록 크기'
→ 232페이지 '시간/공간 집약성 다시 보기: 교체 정책 및 블록 크기'

[ p225 2행 ]
이 방식에 따라 특정 메모리 블록이 저잘될 수 있는
→ 이 방식에 따라 특정 메모리 블록이 저장될 수 있는

[ p225 ● 항목 부분 ]
● 요데이터가 캐쉬에 있는가 → ● 요청한 데이터가 캐쉬에 있는가

[ p229 그림 11-8 교체 ]


[ p242 아래에서 4행 ]
1개 이상의 → 2개 이상의

[ p250 아래에서 3행 ]
1개 이상의 코어를 → 2개 이상의 코어를

[ p260 '코어의 백엔드' 절 두 번째 단락 1행 ]
과거 이슈 포트의 → 이슈 포트의

[ p260 '코어의 백엔드' 절 세 번째 단락 2행 ]
최대 5개의 명령어을 → 최대 5개의 명령어를