컴퓨터 구조 #1 (컴퓨터의 시작, 전자장치)

Computer

컴퓨터는 말 그대로 계산을 하는 기계이다.

 

컴퓨터 (Compute = 계산하다)
논리적 언어로 표현된 수식을 계산하거나 작업을 통제하는 기계

초기에는 덧셈과 뺼셈을 쉽게 하기위해 개발하였으며, 점차 발전하여 1950년대 쯤에 전산기기를 '컴퓨팅 머신'(Computing Machine)라고 불렀다. 본래, 산술은 수학적인 문제와 밀접하게 연관되어 있지만, 현대 컴퓨터들은 값이 싸지고 용도가 다양해짐에 따라, 수학과는 관계 없는 많은 일에도 쓰인다.

 

# 왜 만들었을까?

우리가 지금 보고, 쓰고있는 컴퓨터가 등장한건 100년도 되지않았다.

그전에는 사람 머리로 계산하였고, 식이 복잡하다면 주판이나 간단한 장치를 이용하였다.

딱히 엄청난 수의 계산이 필요하지도 않았고, 그리 연산속도가 빠를 필요도 없었다.

 

하지만 1900년대, 말도 안되게 빠른 계산이 필요하게 된다. 왜? '2차 세계대전' 이 터졌기 때문이다.

총이나 대포를 발사하기 위하여 탄도학을 해야하고, 상대방의 위치를 예측, 계산해야하며 장거리 통신을 해야한다. 이로인해 물리, 수학이 급격하게 발전하게되며 당연히 옛날의 '아날로그'방식은 너무 느려터졌고, 더 빠르고 정확한 '전자 회로'가 발전하게 된다. (물론 다른이유도 있겠지만, 중요한건 아니니 넘어가자)

 

# 컴퓨터의 발전과정

당연히 처음부터 Intel i7 CPU가 짠! 하고 등장한건 아닐 것이다. (2021년은 암드로 비유를 들어야하나?)

처음에는 간단한 스위치부터 시작해서, 더 빠르고 가성비가 좋은 방법을 찾게된다.

* 놀랍게도 아래의 컴퓨터 발전과정은 중,고등학교 물리수업 과정에 포함되어 있다.

 

1. 스위치

가장 간단한 방법이다. 빛이 켜지면 on(1) , 꺼지면 (0)을 이용하여 계산하는 방법.

가끔 '왜 컴퓨터는 이진수 체계일까?" 라는 질문을 하는경우가 있는데 사실 이진수가 특별해서가 아니라, 이진수(0,1)가 제일 표현, 사용하기에 편하기 때문이다. 전기를 이용하여 3가지 이상의 결과를 나타낸다고 생각해보자.

[ 꺼짐, 약간밝음, 중간밝음, 매우밝음 ] -> 구분하기도 힘들고, 굳이 이렇게 할 바에는 차라리 스위치를 2개를 두는 것이 더 빠르고 효율적일 것이다. 실제 전기회로를 구성할 때에도 중간 값을 만들기가 어렵기에 이렇게 사용한다.

입력은 스위치, 출력은 전등으로 알 수 있다.

 

2. Relay(전자계전기, 깜빡이)

스위치로 표현해도 되지만, 그건 부피도 매우 크고 속도도 느릴것이다. (전등키다가 손목 나가겠다)

여기서 조금 더 머리를 쓴것이, 전자기 원리를 이용하여 스위치를 작동시키는 방법이다.

* 전류를 흘린다 -> 전류때문에 전자석이된다 -> 자석이 철판을 당긴다 -> 이것을 스위치로 이용한다.

속도는 대충 1초에 연산 100번정도 나온다. 아마 중학교 물리 시간때 한번쯤 봤을듯?

 

3. 진공관

근데 릴레이도 자석을 이용하여 스위치를 '물리적으로' 작동시키기에 어느정도 속도의 한계가 있다.

그래서 좀 더 빠르게 하기위해 순수한 전자장치를 만들게 되는데, 이것이 바로 진공관!

판때기 2개를 두고 중간에 전자를 잠깐 가둬 사용하는 방식이다. (1904년에 첫 공개)

물론 가두는 시간이 매우 짧기 때문에, 지속적으로 재기록(refresh) 해줘야하는 단점은 있었다.

 

속도는 초당 연산 천만번정도. 이과라면 고등학교 물리시간에 배울 수 있다.

 

4. 트렌지스터(transistor)

하지만 진공관은 작게 만드는게 힘들었고, 수명이 길지 않았다.(열 때문에 끊어짐) 그러기에 더 작게 만들 수 있고, 열을 적게 받는 고체장치가 필요했다. 그래서 연구하던중, 1948년에 미국의 벨 연구소에서 '트렌지스터'가 나오게 된다.

트렌지스터는 열도 거의 나지않아 수명이 반 영구적이며 스위치 기능뿐만아니라 전류를 증폭(amplifier)할 수도 있었다.

 

이는 전류를 특정방향으로만 흘리게 만드는 다이오드를 여러개 붙여 만든 것인데,

원리는 고등학교 물리 후반부에서 배울 수있다. 조금 기니까 궁금하면 검색해보자.

수능을 물리를 쳤다면, 지겹도록 보았던 그림이다.

 

5. IC, 집적회로(Integrated Circuit)

트렌지스터의 탄생으로 전자 장치들은 점점 작아지게 되었으며, 기능이 늘어났다.

그런데 점점 기능이 추가되다보니까, 트렌지스터의 스위치구조는 매우 복잡해졌고 스위치로 만든 회로구조를 매번 직접 넣다보니 고장도 자주나고 제작, 유지보수도 점점 힘들어지기 시작했다. 그래서 나온 아이디어가

'기기에 직접 설치하지말고 트렌지스터 회로만 모은 판을 따로 만들면 좀 더 만들기 편하지 않을까?' 였다.

그렇다. 이것이 바로 IC(집적회로)의 시초이다.

진공관, 트렌지스터, 트렌지스터를 모은 집적회로

 

6. 현재

이러한 집적회로 기술은 점점 더 발전해갔고,

초기의 IC가 1cm*1cm에 100개정도의 트렌지스터를 박았다면 지금은 회로를 나노m 단위로 그려넣어 1cm*1cm에 수십억개를 넣는 정도까지 기술이 발전하였다. 또한 2000년대 개인 PC의 시대가 열리면서 컴퓨터 부품의 수요와 공급이 폭발하기 시작했고, 이에 따라오는 자본과 시장경제를 통해 가격이 저렴해지고 제작 기술이 발전하고 있다.

현대의 CPU는 단순 고속 연산장치라고 부르기에는 정말 많은 기능들을 포함하고 있다.

 

* intel 사장인 무어가 집적회로의 성능은 18개월마다 2배정도로 증가한다는 예측을 하였는데, 실제로 2015년까지 맞아떨어졌다. 이를 무어의 법칙이라 부른다.) -> 2021년 기준 새로운 아키텍처인 암드cpu가 intel을 잡아먹고있다.

* 요즘 사용하는 반도체는 매우 작고 연산속도는 빠르다. 거기에 약간의 먼지라도 들어간다면 전기 때문에 열이 발생할 것이고, 회로는 쉽게 망가진다. 그래서 반도체 공장에서는 소독을 철처히 하는데, 이 과정에서 유해물질이 많이 나오는걸로 알고 있다.

이런 것들도 집적회로라고 부를 수 있다., Display Driver IC , DDR4 DRAM

 

# 맺음말

이런 회로들이 점점 발전해서 우리가 쓰는 컴퓨터의 시초가 되었다.

재밌는점은 컴퓨터는 어떠한 천재 한명의 아이디어로 탄생한 것이 아니라 빠른 계산능력이 필요해지며 자연스럽게 여러 사람들의 협업을 통해 차근차근 발전시켜 만든 결정체가 바로 컴퓨터라는점.

 

그럼 전자 회로의 시초는 여기까지 알아보고, 다음장부터는

'컴퓨터'의 기본구조에 대해서 알아보자.

 

끝!

 

-ps 트렌지스터 반도체는 어떻게 만들어지는가 궁금하면 다음 글을 읽어보자 (그림 출처)

http://www.samsungsemiconstory.com

삼성반도체이야기