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컴퓨터

RAM과 캐시 메모리의 차이점

by 자주두선 2022. 12. 29.

RAM과 캐시 메모리 둘 다 기본 메모리이다. 그러나 캐시가 무엇이고 RAM과 어떻게 다른지 여기에서 확인해보고자 한다.

 

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컴퓨터의 메모리 시스템 알아보기

RAM과 캐시를 비교하기 전에 컴퓨터의 메모리 시스템이 어떻게 설계되었는지 이해하는 것이 중요하다. RAM과 캐시는 모두 휘발성 메모리 저장 시스템이다. 즉, 이 두 스토리지 시스템 모두 데이터를 임시로 저장하고 전원이 공급될 때만 작동할 수 있다. 따라서 컴퓨터를 끄면 RAM과 캐시에 저장된 모든 데이터가 삭제된다.

 

이러한 이유로 모든 컴퓨팅 장치에는 기본 메모리와 보조 메모리라는 두 가지 유형의 스토리지 시스템이 있다. 드라이브는 전원이 꺼져 있을 때 데이터를 저장할 수 있는 파일을 저장하는 컴퓨터 시스템의 보조 메모리이다. 반면에 기본 메모리 시스템은 켜져 있을 때 CPU에 데이터를 공급한다.

 

source from Public Domain Vectors

 

하지만 컴퓨터가 꺼져 있을 때 데이터를 저장할 수 없는 메모리 시스템이 있는 이유는 무엇인가? 기본 스토리지 시스템이 컴퓨터의 정수인 데에는 큰 이유가 있다. 시스템의 기본 메모리는 전원이 없을 때 데이터를 저장할 수 없지만 보조 스토리지 시스템과 비교할 때 훨씬 빠르다. 숫자와 관련하여 SSD와 같은 보조 스토리지 시스템의 액세스 시간은 50 마이크로초이다.

 

대조적으로 랜덤 액세스 메모리와 같은 기본 메모리 시스템은 17 나노초마다 CPU에 데이터를 공급할 수 있다. 따라서 기본 메모리 시스템은 보조 스토리지 시스템에 비해 거의 3,000배 더 빠르다. 이러한 속도 차이로 인해 컴퓨터 시스템에는 데이터가 놀랍도록 빠른 속도로 CPU에 전달될 수 있는 메모리 계층 구조가 있다.

 

 

다음은 최신 컴퓨터의 메모리 시스템을 통해 데이터가 이동하는 방식이다.

 

1) 스토리지 드라이브(보조 메모리): 이 장치는 데이터를 영구적으로 저장할 수 있지만 CPU만큼 빠르지는 않다. 이로 인해 CPU는 보조 스토리지 시스템에서 직접 데이터를 액세스 할 수 없다.

 

2) RAM(Primary Memory): 이 스토리지 시스템은 보조 스토리지 시스템보다 빠르지만 데이터를 영구적으로 저장할 수는 없다. 따라서 시스템에서 파일을 열면 하드 드라이브에서 RAM으로 이동한다. 즉, RAM조차도 CPU에 비해 충분히 빠르지 않다.

 

3) 캐시(기본 메모리): 이 문제를 해결하기 위해 캐시 메모리로 알려진 특정 유형의 기본 메모리가 CPU에 내장되어 있으며 컴퓨터에서 가장 빠른 메모리 시스템이다. 이 메모리 시스템은 L1, L2 및 L3 캐시 세 부분으로 나뉜다. 따라서 CPU에서 처리해야 하는 모든 데이터는 하드 드라이브에서 RAM으로 이동한 다음 캐시 메모리로 이동한다. 즉, CPU는 캐시에서 직접 데이터에 액세스 할 수 없다.

 

4) CPU 레지스터(기본 메모리): 컴퓨팅 장치의 CPU 레지스터는 크기가 매우 작으며 프로세서 아키텍처를 기반으로 한다. 이 레지스터는 32비트 또는 64비트의 데이터를 저장할 수 있다. 데이터가 이러한 레지스터로 이동하면 CPU는 데이터에 액세스 하여 당면한 작업을 수행할 수 있다.

 

source from Wiki Commons

 

RAM 이해 및 작동 방식

앞에서 설명한 것처럼 장치의 임의 액세스 메모리는 컴퓨터의 프로그램에 대한 데이터를 저장하고 CPU에 공급하는 역할을 한다. 이 데이터를 저장하기 위해 랜덤 액세스 메모리는 동적 메모리 셀(DRAM)을 사용한다. 이 셀은 커패시터와 트랜지스터를 사용하여 생성된다. 이 배열의 커패시터는 전하를 저장하는 데 사용되며 커패시터의 충전 상태를 기반으로 한다. 메모리 셀은 1 또는 0을 저장할 수 있다.

 

커패시터가 완전히 충전되면 1을 저장한다. 반면에 방전되면 0을 저장한다. RAM은 커패시터를 사용하여 전하를 저장하므로 저장한 전하를 잃는 경향이 있다. 이로 인해 RAM에 저장된 데이터가 손실될 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 커패시터에 저장된 전하가 감지 증폭기를 사용하여 새로 고쳐져 저장된 정보가 RAM에서 손실되는 것을 방지한다.

 

컴퓨터를 켤 때 RAM이 데이터를 저장할 수 있지만 새로 고칠 때 RAM이 데이터를 CPU로 전송할 수 없기 때문에 시스템에 대기 시간이 발생하여 시스템 속도가 느려진다. 이 외에도 RAM은 머더보드에 연결되고 머더보드는 차례로 소켓을 사용하여 CPU에 연결된다. 따라서 RAM과 CPU 사이에 상당한 거리가 있어 데이터가 CPU로 전달되는 시간이 늘어난다.

 

위에서 언급한 이유 때문에 RAM은 17 나노초마다 CPU에 데이터를 공급한다. 그 속도에서 CPU는 최고 성능에 도달할 수 없다. 이는 4기가 헤르츠의 터보 부스트 주파수에서 실행될 때 최상의 성능을 제공하기 위해 CPU에 1/4 나노초마다 데이터가 공급되어야 하기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 RAM보다 훨씬 빠른 또 다른 임시 저장 시스템인 캐시 메모리가 있다.

 

 

 

캐시 메모리에 대한 이해

이제 RAM과 함께 제공되는 주의 사항에 대해 알았으므로 캐시 메모리와 RAM과 함께 제공되는 문제를 해결하는 방법을 살펴볼 수 있다. 무엇보다도 캐시 메모리가 머더보드에 없다. 대신 CPU 자체에 배치된다. 이로 인해 데이터가 CPU에 더 가깝게 저장되어 데이터에 더 빠르게 액세스 할 수 있다.

 

이 외에도 캐시 메모리는 시스템에서 실행되는 모든 프로그램에 대한 데이터를 저장하지 않는다. 대신 CPU에서 자주 요청하는 데이터만 보관한다. 이러한 차이로 인해 캐시는 놀랍도록 빠른 속도로 데이터를 CPU로 보낼 수 있다.

 

즉, 캐시 메모리에도 결함이 있다. 하나는 RAM과 비교할 때 훨씬 더 비씨다. 또한 정적 RAM 셀은 DRAM에 비해 훨씬 크다. 6개의 트랜지스터 세트가 1비트의 정보를 저장하는 데 사용되기 때문이다. 이는 DRAM 셀의 단일 커패시터 설계보다 상당히 크다.

 

이로 인해 SRAM의 메모리 밀도는 훨씬 낮고 저장 크기가 큰 단일 SRAM을 CPU 다이에 배치할 수 없다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 캐시 메모리를 L1, L2, L3 캐시의 세 가지 범주로 나누고 CPU 내부와 외부에 배치한다.

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