AMD의 듀얼 시스템 아키텍쳐

- SMP의 강점

펜티엄 III는 출시때부터 SMP를 지원해왔다.

멀티스레딩(Multithreading)과 멀티태스킹(Multitasking)

많은 사용자들이 오해하고 있는 부분은 바로 듀얼 시스템이 모든 상황에서 성능을 극대화해 주는 것으로 알고 있다는 것이다. 유감스럽게도 듀얼 시스템은 특정 상황에서는 성능을 저하시키기도 한다. 이론적으로, 인텔 계열의 셰어드 버스 방식(이후에 다시 언급하겠다.)은 듀얼 프로세서로 동작시킬 경우 멀티쓰레딩을 사용하지 않는 소프트웨어라면 성능이 약간 저하될 수밖에 없으며, 이것은 많은 벤치 자료에서도 드러난다. 이것들이 왜 그런가는 아래에서 설명될 것이다.

우선, 멀티스레딩(multi-threading)과 멀티태스킹(multi-tasking)에 관해서 이야기해 보도록 하자.

시스템에는 스레드(thread)라는 것이 존재한다. 스레드는 운영체제가 시간을 할당할 수 있는 최소한의 독립적 코드 단위를 의미한다. 모든 프로그램은 스레드의 실행이 결집되어 있는 것으로 볼 수 있다. 문제는 스레드가 어떻게 연결되는가이다. 스레드와는 별도의 개념으로, 프로세스(process - 프로세서processor와는 완전히 다른 의미이다.)가 있다. 프로세스는 실행되고 있는 각각의 프로그램을 의미한다. 즉, '종이 위에 원을 그린다'라는 것이 하나의 프로세스라면, 종이를 준비하고, 컴퍼스를 준비하고, 펜을 준비하고, 펜을 컴퍼스에 끼우고, 이것을 가지고 원을 그리는 각각의 과정은 모두 개별적인 스레드에 해당한다.

멀티스레딩(Multithreading)이라는 것은 하나의 프로세스가 동시에 다수의 스레드를 가지고 작업하는 것을 의미한다. 통상적인 프로세스는 작업에 하나의 스레드만을 사용하고, 그 스레드가 종료되어야만 다음 스레드의 작업에 들어간다. 그러나 일부 소프트웨어의 경우 프로세싱의 효율성을 위해서 다수의 스레드를 동시에 사용하게 된다. 이것이 바로 멀디스레딩이다. 결국, 멀티스레딩 사용하기 위해서는 이를 위해서 별도로 프로그래밍된 소프트웨어가 필요하다는 것이다.

멀티태스킹(Multitasking)은 다수의 프로세스(다시 말하지만 프로세'서'가 아니다.)가 동작하는 것을 의미한다. 쉽게 말하면, 여러개의 프로그램을 동시에 동작시키는 것이다. 흔히, 특정 프로그램을 백그라운드로 동작시켜 놓고, 다른작업을 하는 경우가 많은데, 이것이 바로 멀티태스킹의 대표적인 사례에 속한다.

SMP는 이러한, 멀티스레딩과 멀티태스킹에서 매우 큰 강점을 가진다. 이제, SMP가 통상적인 단일 스레드 프로세스를 사용할 경우 성능향상을 보지 못하고, 멀티스레드를 사용할 때만 강력한 성능을 내 줄 수 있는 까닭을 알아보자.

멀티스레드와 SMP

앞서 이야기했던, 스레드(thread)의 의미를 다시한번 생각해보자. '운영체제가 CPU의 시간을 할당해 줄 수 있는 최소의 독립적 코드 단위'라는 것인데, 이 말은 곧 CPU는 한번에 하나의 스레드만을 가지고 작업할 수 있다는 것을 의미한다. 다수의 스레드를 동시에 가지고 있을 수는 없기에, 해당 스레드가 종료된 후 다른 스레드를 수행할 수 있다.

단일한 스레드를 가지고 있는 프로세스가 있다고 가정하자. 이 프로세스가 하나의 프로세서가 있는 시스템에서 동작하는 것이 가장 일반적인 형태이다. 그러나 이 프로세스가 두개의 프로세서가 있는 시스템에서 작업을 한다고 할 경우는 어떻게 될까? 단일 스레드를 사용하는 프로세스는 하나하나의 스레드가 이어지면서 실행되는 것이며, 두개가 양립되어서 존재할 수 없다. 그 결과, 프로세스는 분리될 수 없고, 하나의 CPU에서만 실행되는 것이다. 즉, 싱글 프로세서일 때와 다를바가 없다.

한편, 다수의 스레드를 가지고 있는 프로세스를 생각해보자. 단일 CPU의 시스템에서 구동될 경우, 스레드들은 우선순위에 따라서 CPU에서 실행될 순서를 기다린다. 여기까지는 단일 스레드 프로세스와 다를바가 없다. 하지만 다수의 CPU를 가지고 SMP를 구동하는 시스템에서는 이야기가 달라진다. 단일 스레드 프로세스에서는 앞 스레드가 끝나야지만 다음 스레드가 구동될 수 있는 연속적인 구조로 스레드가 실행되지만, 멀티스레드 프로세스는 동시에 수행될 수 있는 다수의 스레드를 가지고 있다. 그래서, 프로세서가 여러개라면 이 다수의 프로세서에 각각의 스레드를 할당할 수 있는것이다. 그 결과 이론적으로는 거의 2배에 가까운 효율을 보일 수 있다. 아래의 일러스트를 보면 이해가 한층 쉬워질 것이다.

스레드와 프로세서 수의 상관관계를 보여주는 일러스트. 2개의 프로세서를 사용한다 하더라도 멀티 스레드 어플리케이션이 아니면 제 성능을 내지 못한다는 것을 보여준다.

한편, 멀티태스킹 역시 SMP의 이득을 볼 수 있는데, 이 경우는 아예 프로세스가 여러개이기 때문에 각각의 어플리케이션이 서로 상관없이 독자적으로 스레드를 실행시킬 수 있기 때문이다. 이 경우는, 성능향상이라기 보다는, 다수의 어플리케이션을 동시에, 보다 부드럽게 구동시킬 수 있다는 점이 실질적인 이득이라고 할 수 있다.

멀티스레딩을 사용하는 어플리케이션과 성능의 향상

멀티스레딩을 직접적으로 사용하는 어플리케이션은 가장 우선적으로 3D 저작 툴을 들 수 있다 .3DS MAX와 소프트이미지로 대표되는 이들 어플리케이션은 렌더링에 필요한 작업을 전적으로 CPU에 의존하며, 또한 다수의 스레드를 사용해서 구동한다. 따라서 이러한 작업에서는 멀티프로세서 시스템이 뛰어난 효율을 발휘할 수 있음을 쉽게 예상할 수 있는데, 그 결과는 아래 표에서 보는바와 같다. 아래의 결과는 일반적인 3D 작업들보다 CPU 의존성이 월등히 강하도록 만들어진(다수의 버텍스를 가진 다수의 오브젝트에 레이트레이싱 효과를 주어서 CPU의 사용빈도를 최대한으로 강조하였다.) 샘플에서의 작업인데, 실질적으로 50~90%의 성능향상이 있음을 알 수 있다.

렌더링 소요시간 그래프. 단위는 초이며 짧을수록 좋다.

이들 외에도 많은 어플리케이션들이 멀티스레드를 지원한다. CPU에의 의존성이 극히 강한 어플리케이션들은 대개 멀티스레드를 지원하고 있다.

결국, 오피스 등의 일반적인 작업을 위해서 멀티프로세싱 환경을 구성하는 것은 낭비에 다름없다는 것이며, 3D 작업 등의 CPU 과다의존형 작업 등에서 최대의 효율을 만들어주는 만큼, 특정 계층에만 이롭다는 결론을 얻을 수 있다.