CPU는 마법이 아니에요 — 4비트 자작 CPU 'TD4'로 들여다보는 컴퓨터의 속살

CPU 안에서 무슨 일이 벌어지는지 본 적 있나요

매일 코드를 짜서 빌드하고 실행하지만, 정작 그 명령어가 CPU 안에서 물리적으로 어떻게 처리되는지는 모르고 지나치기 쉬워요. Philip Zucker라는 분이 'TD4'라는 4비트 자작 CPU를 바닥부터 뜯어보는 가이드를 정리했는데, 이게 컴퓨터의 진짜 속살을 들여다보기에 딱 좋은 자료라 소개해드릴게요.

TD4가 뭐냐면, 일본의 스테디셀러 책 CPU의 창조법(CPUの創りかた)에 등장하는 교육용 CPU예요. 이름 뜻이 좀 웃긴데, 'Toriaezu Dousa suru 4bit CPU', 풀어 쓰면 '일단 돌아가기는 하는 4비트 CPU'라는 뜻이거든요. 화려한 기능은 하나도 없지만, 진짜 CPU가 되기 위한 최소한의 부품은 전부 들어 있어요. 그래서 'CPU란 결국 이런 것들의 조합이구나' 하고 깨닫게 해주죠.

4비트가 얼마나 작은 거냐면요

우리가 쓰는 CPU는 보통 64비트예요. 한 번에 어마어마하게 큰 수까지 다루죠. 그런데 TD4는 4비트라서, 한 번에 다룰 수 있는 숫자가 0부터 15까지가 전부예요. 한 손으로도 셀 수 있는 범위인 거죠. 데이터를 저장하는 레지스터(register, CPU 안의 아주 작은 임시 저장 공간)도 딱 두 개, A와 B뿐이에요.

부품을 늘어놓으면 이래요. 계산을 담당하는 ALU가 있는데, 놀랍게도 이 녀석이 할 줄 아는 연산은 '덧셈' 하나뿐이에요. 곱셈도 뺄셈도 없어요. 그리고 지금 몇 번째 명령어를 실행 중인지 가리키는 프로그램 카운터(PC), 덧셈하다 자리올림이 생겼는지 기억하는 캐리 플래그(carry flag), 그리고 프로그램을 저장하는 ROM이 있어요. 이 ROM이 재밌는데, 책에서는 딥스위치(작은 토글 스위치 묶음)로 0과 1을 직접 손으로 꽂아서 프로그램을 입력해요. 말 그대로 손으로 코딩하는 거죠.

명령어 하나가 실행되는 과정

TD4의 명령어는 8비트예요. 앞 4비트는 '무엇을 할지(opcode)', 뒤 4비트는 '그 대상 값(operand)'을 담아요. 명령어 종류도 단출해서 ADD(더하기), MOV(값 옮기기), IN/OUT(입출력), JMP(점프), JNC(자리올림 없으면 점프) 정도예요. 이 몇 개만으로도 LED를 깜빡이거나 간단한 카운터를 돌리는 프로그램을 짤 수 있어요.

CPU가 명령어를 처리하는 흐름은 늘 똑같아요. 클럭(clock)이라는 박자에 맞춰서, ROM에서 명령어를 꺼내오고(fetch) → 해석하고(decode) → 실행하는(execute) 사이클을 반복해요. TD4는 클럭을 손으로 한 칸씩 눌러가며 돌릴 수도 있어서, '지금 이 순간 데이터가 어느 선을 타고 어디로 흘러가는지'를 눈으로 직접 볼 수 있어요. 이게 핵심이에요. 평소엔 추상적으로만 알던 fetch-decode-execute가 물리적인 신호의 움직임으로 보이거든요.

Philip Zucker의 가이드는 여기서 한발 더 나아가요. 실제 칩을 납땜하는 대신 시뮬레이터나 디지털 논리로 TD4를 재현하면서, 각 부품이 어떤 논리 게이트(AND, OR 같은 기본 회로)로 만들어지는지까지 파고들어요. 추상적인 박스로만 보던 ALU나 레지스터가 사실은 몇 개의 게이트와 플립플롭(1비트를 기억하는 회로)으로 이뤄져 있다는 걸 보여주죠.

비슷한 길을 걷는 프로젝트들

이런 '바닥부터 CPU 만들기' 흐름은 꽤 두터워요. 가장 유명한 건 'Nand2Tetris'예요. NAND 게이트 하나에서 출발해 CPU, 어셈블러, 운영체제, 심지어 테트리스까지 직접 만들어보는 코스죠. Ben Eater의 브레드보드 8비트 컴퓨터 유튜브 시리즈도 전 세계 개발자들의 입문 교과서처럼 쓰여요. TD4는 그중에서도 가장 작고 단순한 축이라, '주말에 한번 끝까지 따라가 볼 수 있는' 부담 없는 크기라는 게 매력이에요.

한국 개발자에게

당장 실무에서 4비트 CPU를 쓸 일은 없겠죠. 하지만 이런 걸 한 번 직접 해보면 평소 코드를 보는 눈이 달라져요. 왜 정수 오버플로가 생기는지, 캐리 플래그와 조건 분기가 어떻게 연결되는지, 어셈블리의 JMP가 사실은 프로그램 카운터에 값을 꽂는 일이라는 걸 몸으로 알게 되거든요. 성능 최적화나 임베디드, 보안 분야로 갈수록 이 바닥 지식이 결국 차이를 만들어요. 주니어라면 더더욱, 면접에서든 디버깅에서든 '컴퓨터가 진짜로 어떻게 도는지' 아는 사람은 티가 나요.

핵심 한 줄로 정리하면, CPU는 마법이 아니라 덧셈기 하나와 몇 개의 스위치, 그리고 박자(클럭)의 조합이라는 거예요.

여러분은 학교나 독학으로 CPU 동작 원리를 바닥부터 따라가 본 적 있나요? 아니면 늘 추상화 위에서만 일해왔나요? 이런 자작 CPU 프로젝트, 한번 도전해볼 만하다고 생각하세요?