기억장치(2)
1. 캐시 메모리 (Cache Memory)
캐시 메모리는 CPU와 주기억장치(DRAM) 간 속도 차이로 인한 병목 현상을 해결하기 위해 CPU와 주기억장치 사이에 설치되는 고속 반도체 기억장치입니다.
1.1 캐시의 특징 및 동작 원리
- 고속성: SRAM 칩 사용, DRAM보다 빠름
- 용량 제한: 가격·공간 제약으로 용량 작음
- CPU 대기 시간 최소화: 주기억장치 접근 대기 시간 감소
캐시 동작
- 캐시 적중(Cache Hit): CPU가 원하는 데이터가 캐시에 있음
- 캐시 미스(Cache Miss): CPU가 원하는 데이터가 캐시에 없음 → 주기 억장치에서 데이터 읽어옴
- 적중률(Hit Ratio, H):
H = \frac{\text{캐시 적중 횟수}}{\text{전체 액세스 횟수}} - 평균 액세스 시간(Ta):
T_a = H \times T_c + (1-H) \times T_mT_c: 캐시 액세스 시간,T_m: 주기억장치 액세스 시간
지역성(Locality) 원리
- 시간적 지역성: 최근 접근 데이터 재사용 가능성 높음
- 공간적 지역성: 인접 데이터 연속 접근 가능성 높음
- 순차적 지역성: 분기 없는 한 명령어 순차 인출
1.2 캐시 설계 목표 및 고려사항
- 목표: 적중률 극대화, 액세스 시간·미스 지연 최소화, 데이터 일관성 유지
- 크기: 용량↑ → 적중률↑, 비용·액세스 시간↑
- 인출 방식:
- 요구 인출(Demand Fetch)
- 선인출(Prefetch)
- 블록/라인: 주기억장치 블록(K단어) → 캐시 라인, 태그(Tag)로 구분
사상 방식 (Mapping Techniques)
| 방식 | 특징 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 직접 사상 | 각 블록이 지정된 한 라인에만 적재 | 하드웨어 단순, 저비용 | 동일 라인 겹침(Overwrite) 문제 |
| 완전-연관 사상 | 어떤 라인에도 적재 가능 | 적중률 높음 | 고가, 복잡한 회로 필요 |
| 세트-연관 사상 | 여러 세트로 나누고 각 세트에 여러 라인(k-way) | 유연성, 적중률↑ | 교체 알고리즘 필요 |
- 교체 알고리즘:
- LRU(Least Recently Used), FIFO, LFU 등
- 쓰기 정책:
- Write-through: 캐시·주기억장치 동시 갱신(일관성↑, 느림)
- Write-back: 캐시만 갱신, 교체 시 주기억장치 반영(속도↑, 일관성 관리 필요)
- 캐시 일관성:
- 다중 프로세서 환경에서 MESI 등 프로토콜 필요
- 계층적/분리 캐시:
- L1/L2/L3 계층, 명령어/데이터 분리(Split Cache)
2. DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM)
- SDRAM: 시스템 클록에 동기화, 다수 뱅크 구성, 버스트 모드 지원
- DDR: 클록 펄스 상승·하강 에지 모두에서 데이터 전송(2배 대역폭)
- DDR2/3/4: 버스 클록 주파수↑, 대역폭↑
- 대역폭 공식:
\text{Memory Bandwidth} = \text{Bus Width} \times \text{클록 주파수} \times \text{클록 당 전송 횟수} - 랭크(Rank): 64비트 데이터 폭을 갖는 모듈 단위, x4/x8 칩 병렬 연결
- Single/Dual/Quad Rank, ECC(오류정정) 지원
3. 차세대 비휘발성 기억장치 (Next-Generation Non-Volatile Memory)
3.1 PRAM (Phase-change RAM)
- 원리: GST(게르마늄-안티몬-텔룰라이드) 상태 변화로 저항값 차이 이용
- 장점: 빠른 액세스, 저전력, 간단한 회로, 높은 시장성
3.2 FRAM (Ferroelectric RAM)
- 원리: 강유전체(PZT) 극성 변화로 데이터 저장, 전기 공급 없어도 상태 유지
- 장점: 빠른 속도, 비휘발성, 저전력
3.3 MRAM (Magnetic RAM)
- 원리: 강자성체 자화 방향(자기장)으로 정보 저장, 전류 인가 방향에 따라 '0'/'1' 구분
- 장점: 비휘발성, 빠른 속도, 높은 내구성
요약
- 캐시 메모리: CPU-주기억장치 병목 해소, 지역성 원리, 다양한 사상·교체·쓰기 정책
- DDR SDRAM: 클록 동기화·2배 대역폭, 랭크 구조, 고속 대용량 지원
- 차세대 비휘발성 메모리: PRAM, FRAM, MRAM 등 신기술, 고속·저전력·비휘발성 특징
- 이들 기술은 시스템 성능 향상과 대용량 데이터 처리, 새로운 저장 방식의 가능성을 제시함