3.2. 처리 능력
처리 능력(processing power)은 CPU 용량, CPU 사이클 등의 여러 다른 이름으로도 알려져 있으며, 컴퓨터가 데이터를 처리하는 능력을 뜻합니다. 처리 능력은 CPU 아키텍쳐 (그리고 clock speed)에 따라서 차이가 납니다. 일반적으로 클럭 속도가 빠르고 클럭당 실행 가능한 명령어 개수가 많은 CPU가 처리 능력이 높습니다.
3.2.1. 처리 능력 관련 정보
처리 능력과 관련하여 다음과 같은 두가지 사실을 염두하셔야 합니다:
처리 능력은 정해져있다
처리 능력은 축척할 수 없다
CPU는 연산 속도는 처리 능력에 의해 정해집니다. 예를 들어 두 숫자를 합산하는 작업은 대부분의 아키텍쳐에서는 명령 한번으로 실행 가능하며 각 CPU는 항상 정해진 속도로만 이 작업을 실행할 수가 있습니다. CPU 명령 처리 속도를 느리게 또는 빠르게 변경하는 것은 거의 불가능합니다.
또한 처리 능력은 한정되어 있습니다. 즉, 컴퓨터에 플러그인할 수 있는 CPU 유형이 한정되어 있습니다. 일부 시스템은 속도가 다른 다양한 종류의 CPU를 지원하는 반면, 다른 시스템은 업그레이드가 아예 불가능합니다[1].
처리 능력은 나중에 사용하기 위해 저장할 수 없습니다. 즉, CPU가 일초에 1억개 명령을 처리할 수 있는 경우 일초 동안 휴지 상태에 있다면 일억개의 명령을 처리할 수 있는 능력을 낭비한 셈입니다.
이러한 사실을 약간 다른 각도에서 생각해봅시다. CPU는 정해진 속도로 실행 명령 스트림을 "만들어 냅니다". 그리고 만일 CPU가 실행 명령을 "만들어낸다면" 다른 누군가가 그 명령을 "소비"한다는 의미가 됩니다. 다음에서는 이 소비자에 대하여 설명해보겠습니다:
3.2.2. 처리 능력 소비자
처리 능력 소비자는 주로 다음 두가지로 나눌 수 있습니다:
응용 프로그램
운영 체제
3.2.2.1. 응용 프로그램
가장 눈에 띄는 처리 능력 소비자는 응용 프로그램과 컴퓨터가 실행중인 프로그램입니다. 스프레드시트에서 데이터베이스에 이르기까지, 이러한 응용 프로그램을 사용하기 위해 컴퓨터를 구입한다고 해도 과언이 아닙니다.
단독 CPU 시스템은 한번에 오직 한가지 작업만 실행할 수 있습니다. 따라서 응용 프로그램을 실행하시면 시스템 상의 다른 작업은 실행 중이지 않습니다. 그 반대로 생각하셔도 됩니다. 즉, 실행하신 응용 프로그램 이외의 프로그램이 실행 중이라면, 여러분이 실행한 응용 프로그램은 정지합니다.
그렇다면 최신 운영 체제에서는 어떻게 여러 다른 응용 프로그램이 동시에 실행되지요? 이 질문에 대한 해답은 다중 작업(multitasking) 운영 체제이기 때문입니다. 즉, 여러 응용 프로그램이 동시에 실행되는 것과 같이 보이지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 실제로는 아주 짧은 시간 동안 CPU에서 한 프로세스를 실행 후 곧바로 다음 프로세스로 재빨리 넘어갑니다. 이러한 과정을 문맥 교환(context switches)이라고 부르며 프로세스의 문맥 교환 작업이 빨리 이루어지게되면 마치 여러 응용 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 보여집니다.
응용 프로그램은 또한 CPU를 이용한 작업 뿐만 아니라 사용자 입력을 받아들이고 장치로 입/출력 작업 (예, 디스크 드라이브와 그래픽 화면 표시 작업)을 실행합니다. 응용 프로그램은 더 이상 CPU를 기다릴 필요가 없으며 이러한 작업을 실행할 수 있으며, CPU는 다른 응용 프로그램을 실행 중인 프로세스에 사용됩니다.
또한 CPU는 처리 능력의 또 다른 소비자인, 운영 체제 자체에 의해서도 사용됩니다.
3.2.2.2. 운영 체제
운영 체제가 얼마나 많은 처리 능력을 소비하는지 알아내기 쉽지 않습니다. 그 이유는 운영 체제는 프로세스 레벨 코드와 시스템 레벨 코드를 함께 사용하여 작업을 수행하기 때문입니다. 예를 들면 프로세스 감시 프로그램을 사용하여 데몬이나 서비스를 실행 중인 프로세스 정보를 알아내는 것은 비교적 간단하지만, 시스템 레벨 입/출력 프로세싱에 얼마나 많은 처리 능력이 소모되는지 알아내는 것은 매우 어렵습니다.
일반적으로 이러한 운영 체제 오버헤드는 두가지로 나눌 수 있습니다:
운영 체제 정리 작업
프로세스 관련 작업
운영 체제 정리 작업은 프로세스 스케줄링과 메모리 관리와 같은 작업을 의미합니다. 반면에 프로세스 관련 작업에는 프로세스 처리, 시스템 전반 이벤트 로깅 또는 입/출력 캐시 플러싱(flushing: 기억 장치 부분의 내용을 비우는 것)과 같이 운영 체제 자체를 지원하는 프로세스가 포함됩니다.
3.2.3. CPU 용량이 부족할 경우 해결책
작업을 실행하는데 필요한 처리 능력이 부족한 경우 다음 중 한가지 방법을 택하시면 됩니다:
작업 부하를 줄이기
용량 늘리기
3.2.3.1. 작업 부하를 줄이기
CPU 부하 줄이기는 아무런 비용이 들지 않고도 가능합니다. 부하를 줄이는 비결은 시스템 작업 중 중요하지 않은 프로세스를 찾아내어 정지시키는 것입니다. 다음과 같은 세가지 측면을 고려하십시오:
운영 체제 작업 부하를 줄이기
응용 프로그램 작업 부하를 줄이기
응용 프로그램을 완전히 제거하기
3.2.3.1.1. 운영 체제 작업 부하를 줄이기
운영 체제 작업 부하를 줄이기 위해서는 우선 현재 시스템 작업 부하를 살핀 후 어디서 과도한 작업 부하를 초래하는지 알아내셔야 합니다. 다음과 같은 두가지 측면을 주시하셔야 합니다:
잦은 프로세스 스케줄링 줄이기
입/출력 실행 작업을 줄이기
적절히 설정된 시스템에서 운영 체제 작업 부하를 줄인다고 해서 성능이 매우 호전될꺼라는 헛된 기대를 가지지 마십시오. 그 이유는 적절히 설정된 시스템은 이론상으로 거의 작업 부하를 초래하지 않기 때문입니다. 그러나 만일 예를 들어 시스템의 RAM 용량이 너무 작을 경우에는 부족한 RAM 용량을 추가하여 작업 부하를 줄이는 것이 가능합니다.
3.2.3.1.2. 응용 프로그램 작업 부하를 줄이기
응용 프로그램의 작업 부하를 줄이기 위해서는 응용 프로그램을 제대로 실행하는데 필요한 모든 요소를 확인하는 작업이 필요합니다. 어떤 응용 프로그램은 실행 중인 환경이 바뀌면 갑자기 예상치 못한 행동을 보이기도 합니다. 예를 들자면 응용 프로그램이 특정 유형의 자료를 처리시 비정상적으로 시스템 용량을 많이 소모시키는 현상이 발생하기도 합니다.
여기서 반드시 기억하셔야할 점은 현재 시스템에서 실행 중인 응용 프로그램들을 잘 이해하고 있어야 그 응용 프로그램들을 가장 효율적으로 실행할 수가 있다는 것입니다. 또한 종종 사용자와 개발자와 함께 응용 프로그램을 보다 효율적으로 실행할 수 있는 방안을 모색하는 것도 중요합니다.
3.2.3.1.3. 응용 프로그램을 완전히 제거하기
기업체에 따라서 어느 응용 프로그램을 실행하고 어느 프로그램을 실행하지 않을지 결정하는 것은 시스템 관리자의 역할이 아닐 수도 있습니다. 그러나 CPU를 잡아먹는 응용 프로그램을 알아낸다면 담당자에게 그 응용 프로그램을 멈추도록 조언할 수 있습니다.
CPU를 잡아먹는 응용 프로그램을 찾아서 정지시키는 작업은 시스템 관리자 혼자의 힘으로는 부족합니다. 그 응용 프로그램을 실행 중인 사용자의 도움도 필요할 것입니다. 사용자만 응용 프로그램의 행위를 변경하는데 필요한 권한과 정보가 사용자에게만 있는 경우가 많습니다.
 | 힌트 |
|---|---|
CPU 용량을 차지하는 응용 프로그램을 반드시 모든 시스템에서 제거할 필요는 없습니다. 이 응용 프로그램을 작업 부하가 많은 시스템에서 거의 아무런 작업도 실행되지 않고 있는 다른 시스템으로 옮기는 것도 좋은 해결책이 될 수 있습니다. |
3.2.3.2. 용량 늘리기
만일 작업 부하를 줄일 수가 없는 경우에는 처리 능력을 늘리는 방법을 모색하셔야 합니다. 부하를 줄이는 방법과 달리 용량을 늘리려면 비용이 든다는 단점이 있습니다.
3.2.3.2.1. CPU 업그레이드하기
우선 시스템 CPU가 업그레이드 가능한지를 알아보셔야 합니다. 첫번째 단계로 현재 사용 중인 CPU를 빼낼 수 있는지 확인해보십시오. 일부 시스템 (대부분 랩탑 컴퓨터)는 CPU를 빼낼 수 없게 장착되어 있기 때문에 업그레이드가 불가능합니다. 그 외의 경우에는 CPU가 본체에 끼여져 있어 언제든 업그레이드가 가능합니다.
다음으로 시스템에 설정에 맞는 CPU 중에 보다 앞선 모델 CPU가 존재하는지 알아보셔야 합니다. 예를 들어 1GHz CPU를 가진 경우, 동일한 유형 CPU 중에 2GHz CPU가 나왔다면 업그레이드가 가능합니다.
마지막으로 시스템이 지원 가능한 최대 클록 속도를 알아야합니다. 위의 예시에서 동일한 유형의 2GHz CPU가 존재한다고 해도 1GHz 이하 프로세서만 지원하는 시스템을 가지고 있다면 단순히 CPU만 바꾸는 업그레이드가 불가능합니다.
CPU 업그레이드가 가능하지 않다면, 마더보드를 교체하거나 또는 앞서 언급된 시스템 전체를 교체하는 포크리프트 업그레이드(forklift upgrade)하시는 수 밖에 없습니다.
그러나 이러한 문제를 다른 관점에서 바라볼 수도 있습니다. 현재 CPU를 교체하는 대신 CPU를 하나 더 추가하는건 어떻습니까?
3.2.3.2.2. 대칭형 다중처리(Symmetric Multiprocessing)를 사용하려면?
대칭형 다중처리 (줄임말 SMP)를 이용하여 한 개 이상의 CPU를 사용하여 모든 시스템 자원을 처리할 수 있습니다. 단독 프로세서 시스템과는 달리 SMP 시스템은 실제로 한번에 한개 이상의 프로세스를 실행 가능합니다.
처음엔 마치 완벽한 솔루션처럼 들릴 지도 모릅니다. 보다 빠른 클록 속도를 제공하는 CPU가 존재하지 않는 경우에도 SMP를 이용하여 CPU를 추가하여 시스템의 CPU 처리 능력을 증가시킬 수 있기 때문입니다. 그러나 이러한 유연성을 얻는 대신 몇가지 단점도 있다는 사실을 아셔야합니다.
첫번째 두드러진 단점은 모든 시스템이 SMP 작업을 지원하는 것은 아니라는 점입니다. 즉 다중 프로세서를 지원하는 마더보드가 있어야 합니다. 이러한 마더보드가 없다면, 최소한 마더보드를 업그레이드하셔야 SMP 가능합니다.
두번째 단점은 SMP가 시스템 작업 부하를 증가시킨다는 점입니다. 한번 생각해보십시오. CPU 숫자가 늘수록 그 만큼 CPU 사이클 수가 많아지기 때문에 운영 체제 작업 부하가 높아질 것입니다. 또한 다중 CPU를 사용함으로서 시스템 자원 소모도 많아집니다. 이러한 이유로 인해 이중 프로세서 시스템을 사중 프로세서로 업그레이드하여도 CPU 처리 능력이 100 퍼센트 업그레이드되지 않습니다. 실제로 하드웨어, 작업 부하 및 프로세서 아키텍쳐에 따라서 또 다른 프로세서를 추가함으로서 오히려 시스템 성능이 저하될 가능성도 있습니다.
SMP에 대하여 한가지 더 기억하셔야할 점은 단독 응용 프로그램이 한번에 실행될 경우에는 작업 부하에 줄이는데 아무런 도움이 되지 않는다는 사실입니다. 즉 처리 용량이 큰 시뮬레이션 프로그램을 스레드가 없이 하나의 프로세스로 실행한다면 SMP 시스템을 이용하여도 단독 프로세서로 실행할때와 아무런 차이가 없습니다. 실제로 SMP는 작업 부하를 초래하기 때문에 오히려 더욱 처리 속도가 더욱 늦어질 수도 있습니다. 이러한 이유 때문에 많은 시스템 관리자가 CPU 처리 능력 면에서 단독 스트림 프로세싱 파워를 선호하십니다. 단독 스트림 프로세싱을 이용하여 사용에 많은 제약을 받지 않고서도 CPU 파워를 최대한 활용할 수 있습니다.
앞서 설명된 내용을 보시면 SMP를 사용하지 않는 편이 낫겠다고 생각이 드실 수도 있습니다. 그러나 SMP가 필요한 경우가 있습니다. 예를 들어 동시에 처리 용량이 큰 응용 프로그램이 한개 이상 실행되는 환경에서는 SMP를 시스템이 적합합니다. 그 이유는 장기간 계산만 하는 응용 프로그램은 그 프로세스 자체로는 CPU를 바쁘게 이용하는 반면에 활성 프로세스를 차지하기 위한 경쟁, 즉 운영 체제 작업 부하를 최소화하기 때문입니다.
SMP에 대하여 한가지 또 알아두셔야할 점은 SMP 시스템은 작업 부하가 증가해도 성능이 심각하게 저하되지 않는다는 점입니다. 따라서 서버와 다중사용자 환경에서 SMP 시스템이 많이 사용됩니다.