출처 - http://xbitcoinx.com/Bitcoin_Mining/2091

비트코인 채광 시 그래픽 카드가 CPU보다 더 빠른 이유

종종 사람들은 왜 CPU(중앙 처리장치)와 GPU(그래픽 처리장치, 그래픽 카드) 사이에 채굴 결과가 왜 그렇게 많은 차이가 나는지 궁금해하곤 한다.

먼저 CPU와 같은 중앙처리장치들은 컴퓨터에 로딩된 소프트웨어의 연산 처리를 중점으로 하는 모든 기기에 핵심적인 실행 장치이다. 이 중앙 처리장치는 소프트웨어의 코드 혹은 유저의 명령에 의해 컴퓨터의 모든 파트가 무엇을 하는지 알려주는 마스터 역할을 한다. 요즘 대부분의 컴퓨터는 다중 코어를 가지고 있거나 - 한개의 물리적 본체에 다중 CPU를 가지고 있는 것과 거의 동일하다 - 어떤 컴퓨터들은 다중 CPU를 가지고 있기도 하다. CPU는 컴퓨터의 메인 회로 보드나 메인보드에 쿨링 팬이 있는 커다란 금속 발열부 하단에 장착되는 일반적으로 제거 가능한 구성품이다.

GPU 혹은 그래픽 처리 장치는 컴퓨터의 비디오 렌더링 시스템이다. GPU의 전통적인 기능은 CPU가 수행하지 않는, 3D 그래픽이나 시각적 효과를 렌더링하는 것을 보조하는 장치이다. 

서버들은 보통 텍스트 중심의 원격 인터페이스를 관리하기 때문에 GPU 장치를 가지고 있지 않거나 매우 제한된 숫자를 가지고 있다.
대부분의 주류 컴퓨터들은 별도의 분리된 더 강력하고 고전력을 소모하는 AGP나 PCIe 방식의 GPU 대신, CPU 칩셋에 직접 통합되거나 메인보드에 납땜 처리된, 느리지만 저전력의 저가 통합그래픽장치(Integrated Graphics Processor)를 가지고 있다. 
강력한 GPU들은 대부분 게임이나 비디오 편집과 같은 그래픽 집약적인 임무를 위해서 필요하다. 예를 들면 윈도우7의 반투명창이나 맥 OSX의 Quartz같은 기술적 효과를 구현하는데 사용된다.

GPU는 CPU와 비슷하지만 비트코인 채광과 같은 특별한 임무에 더 적합한 중요한 내부적 차이점을 가지고 있다. 

짧은 답변

라데온 HD 5970의 GPU가 클럭당 32비트 명령어를 3200번 (3200개의 논리연산장치(세이더) 사용) 수행하는 것에 비해,  CPU 코어는 클럭 당 32비트 명령어를 4번(128비트 SSE 명령어 사용) 또는 AVX(256비트)를 통해 8번 실행한다. 이것이 클럭당 명령어 수행에 있어 400~800배의 차이가 나는 핵심적인 이유이다.
2011년 가장 빠른 주파수 클럭을 가지고 있는 CPU (CPU 2000~3000MHz vs 라데온 HD 5970의 725MHz)의 경우 6, 8개 혹은 12개의 코어를 가지고 있는데, 여전히 HD 5970 이 12개의 코어를 가진 2.3GHz의 CPU보다 다섯 배 이상 빠르다.(게다가 가격은 HD5970이 350달러인 것에 비해 CPU는 4700달러의 높은 가격)

CPU는 경영의 임무

CPU는 기본적으로 소프트웨어에 의해 지시된 결정을 내리고 관리하도록 디자인되어 있다. 예를 들면 문서를 타이핑하고 저장한다면, 이 문서를 적절한 파일 형식으로 변환시키고 하드디스크에 기록하라고 지시를 내리는 임무가 CPU의 일이다. CPU 역시 하나 이상의 논리연산장치(ALU)를 보유하고 있어 수학적 임무들을 수행할 수 있고 "이 조건에서는 이 일, 그 이외의 조건에서는 어떤 다른 일을 하라"와 같은 명령어의 집합들을 빠르게 수행할 수 있다. CPU 내부의 대부분의 구조들은 CPU가 필요할 때 잠깐의 신호처리로 다른 임무로 재빠르게 순환되어서 처리하는 것과 관계되어 있다. 
또한 CPU는 다음과 같은 복잡한 임무들을 처리하는 역할을 수행한다. 

• OS와 유저 프로그램 사이에서 특권 레벨(Privilege Levels)과 경계(Boundaries) 임무 수행
  
• 프로그램할 가상 메모리의 영역 만들기
  
• 더 이상 지원되지 않는 낡은 코드(Legacy code)와 백그라운드에서 호환 
  

GPU는 노동의 임무

GPU는 매우 다른 방식의 역할을 하는데, GPU 또한 수학적 임무와 특정한 조건하의 "이것"과 "저것" 등의 논리 연산을 할 수 있다. 어쨌든 GPU는 비디오 프로세싱과 좀더 낮은 수준의 관리 임무에 최적화되어 있다. 
비디오 프로세싱은 화면 상의 대량의 픽셀 그룹에 대해 지속적으로 같은 일을 하도록 지시하는 것과 같은 수많은 반복되는 임무로 구성된다.

이 역할을 효율적으로 수행하기 위해서, 비디오 프로세싱은 수행 임무간 전환을 빠르게 하는 능력보다 반복되는 임무를 수행하는 능력에 치중한다. 

게다가 GPU는 CPU 대비 훨씬 더 많은 논리연산장치(ALU)를 가지고 있어, 대량의 수학적 노동에 있어 CPU보다 훨씬 더 많은 량을 수행할 수 있다. 

비유

CPU가 수행하는 역할은 주어진 임무를 매우 빨리 수행할 수 있는 매우 총명한 사람들의 작은 그룹이라고 비유한다면, 반면에 GPU는 매우 빠르거나 총명하지는 않은 하지만 반복적으로 임무를 수행하도록 훈련되어진, 양적으로 따지면 좀더 쉽게 생산 가능한 우매한 사람들의 대량의 그룹이라고 할 수 있다.  
CPU가 뚱뚱하거나 건방지다거나 게으르다라고 하는 것은 아니다. CPU와 GPU 모두 작은 실리콘이 잔뜩 들어있는 수십억개의 미세한 트랜지스터로 구성되어 있다. 실리콘 칩에 있어서 크기는 곧 비용인데, 무엇을 해야할지에 능숙한 CPU가 좀더 많은 공간을 점유하도록 한다. 이런 구조가 빠지면 그 커다란 공간에는 매우 작은 크기의 우매한 논리연산장치(ALU)로만 가득 채워질 것이다. 

GPU의 논리연산장치(ALU)는 그룹간 영역으로 분리되어 있으며, 각각의 그룹은 관리 영역을 공유하고 있다. 각 그룹의 구성원들은 분리된 임무를 수행할 수 없는 대신, 한개의 임무 중 동질성을 가진 여러 변형들을 수행할 수 있다. 새로운 해쉬를 반복적으로 해독하는 것은 - 비트코인 채굴의 절차 - 단순히 해쉬된 데이터의 숫자(Nonce로 불리는 것)를 바꾸는 변형을 시도하는 것에 불과한 반복적인 임무라고 할 수 있으며, GPU에 최적화되어 있다고 할 수 있다.

이러한 해쉬 실행과 비트코인 채굴용으로 가장 인기있는 그래픽 카드는 최상의 퍼포먼스를 제공하는 것으로 알려진 ATI 라데온 5970 이다. (가격 대비 현재도 여전히 유효함) 이 특별한 그래픽 카드는 작업흐름에 있어 일종의 방해를 할수도 있는 어떠한 결정도 내리지 않는, 반복적인 임무를 끊임없이 수행하도록 훈련된 우매한 실행 장치인 3200개의 스트림 프로세서(Stream Processors)를 가지고 있다. 

이 5970 그래픽 카드의 3200개의 스트림 프로세서는 VLIW-5 아키텍쳐를 사용한다.(각각의 코어가 매 클럭 당 5개의 명령어를 실행하는 실제로는 640개의 코어) 이에 반해 Nvidia는 이 코어를 쿠다 코어(Cuda Cores)라고 부르는데, 클럭당 많은 명령어를 수행하는 VLIW 아키텍쳐 방식을 갖고 있지는 않다. 

이 아키텍쳐의 차이가 바로 코어 클럭을 비교하는 것만으로 퍼포먼스를 가늠하는 적절한 방법이 될 수 없는 이유이며, Nvidia가 SHA-256 해쉬(비트코인 해쉬 알고리즘) 수행에 있어 ATI에 비해 많이 뒤쳐지는 근본적인 이유이다. 

비트코인 채굴의 모든 작업은 논리연산장치(ALU)의 임무인데, 사용가능한 논리연산장치(ALU)의 개수는 해쉬 수행 결과에 직접적인 영향을 끼친다. 
쿼드코어 CPU는 순식간에 임무를 전환할 수 있는 능력을 가지고 있는 하지만 매우 적은 4의 몇배수 정도의 논리연산장치(ALU)를 가지고 있는데, 논리연산장치가 4개가 아니라 훨씬 많다면 어떠할까? 비트코인 채굴에 있어 한개의 SHA256 해쉬를 수행하는 것은 논리연산장치(ALU)에 의해서 전적으로 수행되어야 하는 오직 1000개의 간단한 수학적 단계 뿐이다.  

결과적으로 이 부분이 GPU가 CPU보다 훨씬 더 빨리 비트코인을 채광할 수 있는 이유이다. 
비트코인 채광은 어떤 결정을 내리는 부분이 존재하지 않는다.- 컴퓨터에게 있어서는 단순 반복되는 수학적 임무 뿐이다- 유일한 결정 요소는 유효한 혹은 반대로 유효하지 않은 블럭을 가질지 판단하는 것 뿐이며, 이것은 GPU를 구동하는 데 있어서 충분히 커버할 수 있는 부하량이다.

 

비트코인 채굴시 왜 AMD 그래픽 카드가 Nvidia 그래픽 카드보다 빠른가 ?

무엇보다 AMD는 GPU를 상대적으로 낮은 주파수 클럭인 대신 더 많은 논리연산장치/세이더(VLIW 아키텍쳐)를 제조한다(일반적으로 625~900MHz 대역폭에서 1120~3200개의 논리연산장치). 

반면에 Nvidia의 미세 공정은 숫자가 적은 대신 높은 세이더 클럭(1150~1544MHz 대역폭을 가진 448~1024개의 논리연산장치 개수)을 가진 더 복잡한 논리연산장치로 구성되어 있다. 

또한 VLIW 와 비 VLIW 의 차이 때문에 Nvidia는 반도체 다이 공간의 더 많은 평방 제곱 밀리미터(Square Millimeter, MM²)을 사용한다. 그래서 칩 당 논리 연산장치의 개수를 더 적게 포함시킬 수 밖에 없고, AMD의 퍼포먼스와 동일하거나 넘어서기 위해 클럭 주파수의 벽을 훨씬 더 빨리 무너뜨린다.

AMD 라데온 6990 : 3072개의 논리연산장치 x 830 MHz = 초당 2조 5500억개의 32비트 명령어 연산 수행
NVidia GTX 590 : 1024개의 논리연산장치 x 1214 MHz = 1조 2430억개의 32비트 명령어 연산 수행  

위와 같이 AMD와 Nvidia GPU 전체 라인업에 공히 적용되는 대략 2~3배 사이의 퍼포먼스 차이가 존재하는데, 비트코인이나 패스워드 해쉬 찾기(bruteforcers)와 같은 ALU 기반의 GPGPU 방식 모두에 뚜렷하게 드러난다. 

두번째로, AMD GPU가 비트코인 채굴에 선호되는 이유는 32비트 right rotate의 정수 연산(Integer Right Rotate Operation)을 많이 사용하는 SHA-256의 채굴 알고리즘 때문이다. 
이 연산은 AMD GPU(BIT_ALIGN_INT)에 있어 단일 하드웨어 명령어로 구현된다. 하지만 Nvidia GPU에서는  3개의 분리된 하드웨어 명령어(2 shifts + 1 add)로 에뮬레이트되어야 한다. 이것 또한 AMD가 퍼포먼스에 있어서 1.7배 이상 유리하도록 만든다. (SHA-256 압축 함수를 실행하기 위해 ~3250개의 명령어 대신 ~1900개의 명령어)

결과적으로 이 두가지 이유가 결합되어 비트코인 채광에 있어 AMD 그래픽 카드가 Nvidia에 비해 3~5배 더 나은 퍼포먼스를 보여주고 있다.