Building Hardware for Bits

• 컴퓨터를 만드는데 필요한 H/W에 대한 소개이다.
• Bit를 위한 H/W: 일종의 전기를 이용한 switch로 0과 1은 관습적으로 off/on을 나타낸다.
• 다음은 이번에 배울 내용이다.
  1. Relay
  2. vacuum tube
  3. Transistor
  4. IC (Intergrated circuit)

relay

what is a relay

• electromagnet을 이용한 일종의 switch
• 반도체를 이용한 contact point가 없는 Solid State Relay는 여기서 고려하지 않고 전기기계식 relay만 고려한다.
  
• NC: Normally Closed (전자석이 off일 때 연결되는 접점을 의미)

relay 동작방식

• relay에 전기를 가해주면 전자석에 의해 switch가 켜지고(혹은 꺼지거나) 전기가 끊기면 내부의 스프링에 의해 다시 꺼지는 (혹은 켜지는) 동작을 수행한다.

초기 컴퓨터에서 사용되었으나 물리적으로 동작하는 소자였기에 수명이 짧고 크기가 크며 동작 속도가 느리고 또 전력 소모도 크다는 단점을 가져 현재에는 거의 쓰이지 않는다.

주 응용분야

• Single Pole, 10-throw stepper relay 등을 이용하여 옛날 전화기의 다이얼을 구현하기도 하였다.
• TV 등의 전원을 리모컨으로 켤 때도 내부에서 사용되며 보통 전원을 킬 때 딸깍 소리가 나는데 이는 전자석에 의해 신호가 접점에 붙는 소리이다.
• 일반적인 switch와 달리 relay는 고전압, 고전류를 제어하는 switch로 활용하는 경우가 많다. 단점으로는 back EMF(역기전력, Back electromotive force)에 약하다.

Relay's schematic Diagram

• 다음은 schematic diagram으로 relay의 종류를 표시한다.
  

1. SPDT: Single Pole Double Throw
2. SPST: Single Pole Single Throw
3. DPDT: Double Pole Double Throw
4. DPST: Double Pole Single Throw

• Pole 1개당 Throw의 개수를 따짐

vacuum tube

definition of vaccum tube

• Thermionic emission(열전자 방출)을 이용하여 증폭기 및 switch 역할을 할 수 있는 device이다.

vacuum tube 작동방식

• heater로 cathode가 충분한 온도에 도달하면 electron(열전자)이 방출되고 이 열전자는 vaccum tube 내에서 anode로 전달된다.
  

• P: Plate, anode를 가르킨다.

• K: cathode(음극선)를 가르킨다.

• H: heater를 가르킨다.

• G: grid를 가르킨다.

Diode: vacuum tube에서 cathode와 anode만 가져서 diode라고 불리며 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는데 사용한다.

Triode: cathode에서 방출된 electron이 anode로 가는 경로에 grid룰 삽입하고 grid에 작은 전압 변화를 가할 경우 cathode에서 anode로 흐르는 전루에 매우 큰 변화를 가져와 일종의 증폭기로 사용 가능하다.

장단점

• IC에 너무 커서 오늘날의 컴퓨터에서는 거의 사용되지 않는다.
• 열전자 방출을 위한 heater로 인해 너무 뜨거우며 에너지 소모가 크다는 단점이 있다.
• vacuum tube 자체가 깨지기 쉽다는 점도 있어서 오늘날 컴퓨터에 들어가는 소자로는 적절하지 못하다.

현재의 사용처

• X-ray 발생 (X-ray tube)과 전자레인지 또는 오디오 기기에 사용된다.
• 중폭기로 사용될 때 고유의 음색이 좋아 고가의 오디오 기기에서 사용된다.
• 첨단 분야에서 핵융합 발전 등에서 plasma를 가속시키기 위해서 사용되는 등의 응용분야가 여전히 많다.

transistor

definition of Transistor

• 오늘날 전자기기에서 주로 사용되는 소자이며 전기회로와 전자회로를 구분짓는 active device의 대표적인 소자

• 전류(BJT) 또는 전압(FET)에 의해 제어되는 switch(주로 사용), 가변저항, 증폭기로 사용된다.

• 배울 때에는 대표적인 Bipolar Junction Transistor (BJT)와 Field Effect Transistor (FET)를 다룬다.

  • device 하나의 비율은 BJT가 좋지만 FET는 크기가 매우 작아 같은 크기에 60~80 배의 집적도가 가능하고 원가 측면에서도 FET가 훨씬 유리하기 때문에 BJT보다 FET가 보다 많이 사용되는 추세이다.

• FET에서도 Metal Oxide Silicon FET가 주로 많이 사용되며 N-channel MOSFET과 P-channel MOSFET 중에서도 carrier가 훨씬 빠른 electron을 사용하는 N-channel MOSFET이 가장 많이 사용된다.

워낙 작게 만들 수 있기에 컴퓨터의 소형화의 큰 기여를 했다.

단점

• 너무 작으면 발열이 커져 substrate인 silicon에 손상을 줄 수 있어 소형화에 한계가 있다.
• carrier의 속도에 의한 동작속도에 한계가 있다. (차세대 반도체 소자는 carrier의 직접 이동이 아닌 방법이 고려되고 있다.)

요약

• Transistor는 Relay와 vacuum tube 등에 비해서 가격, 속도, 크기, 수명 등의 모든 면에서 우수한 device이다. 열전자 대신 semi-conductor를 이용한 vacuum tube라고 보면 이해가 쉽다.

N-MOS and P-MOS: CMOS

• N-MOSFET의 경우 Gate에 1 (정확하게는 $V_{GS} \gt V_{Th}$)인 경우 close가 되는데 ouput이 0에 해당하는 $V_{ss}$에서는 손실이 없지만 1에 해당하는 $V_{DD}$는 $V_{DD} - V_{Th}$가 되어 손실이 발생한다.
• 이러한 손실이 N-MOS와 P-MOS가 상보적인 (complementary) 특성을 갖기 때문에 이 둘을 조합한 CMOS(complement Metal Oxide Silicon) FET 이 컴퓨터에서 많이 사용된다.

$V_{Th}$: Threshold voltage로 MOSFET에서 전류가 흐르게 되어 스위치가 켜지는 시점의 gate 전압
$V_{GS}$: gate 임계치 전압으로 MOSFET을 ON 시키기 위해 gate와 source 간에 필요한 전압($V_{GS}$가 임계치 이상의 전압이면 MOSFET이 ON된다.)
$V_{ss}$: Source 전압(- 전압 or 접지)
$V_{DD}$: Drain 전압(공급 전압, + 전압)

• 워낙 낮은 전력소모를 보여서 컴퓨터의 BIOS(Basic Input/Outout System)에서 필요로 하는 주변기기 정보를 저장하는데 사용되는 반도체기반 소자가 CMOS이다. 때문에 CMOS와 BIOS는 다른 것인데도 혼용되는 경우가 많다.

IC

definition of IC

• Transistor의 발전에 의해 Logic Circuit을 보다 작고 빠르며 안정적으로 만들 수 있게 됐다.
• 1950년대 후반 Integrated Circuit(IC)가 개발되면서 여러 Trasistor로 구성되는 복잡한 회로를 하나의 transistor 가격으로 만들 수 있게 됐다.
• 흔히 chip이라고 부르며 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 했다.

Transisor, Resistor, Condensor, Diode 등의 많은 회로 부품으로 구성된 circuit이 하나의 칩으로 구성된다.

history

1958년

• Jack kilby와 Robert Noyce가 IC를 개발

  • 공동개발이 아니라 비슷한 시기에 개발한 후 약간의 분쟁 후 서로의 특허를 공유하고 발전해나갔다. Kilby가 6개월 빨랐으나 실용적인 부분은 Noyce가 나았다.

  • Noyce는 Intel의 공동창업자기도 했다.

  • 1~10개의 gate가 집적된 IC를 Small Scaled Integration(SSI)라고 부른다.

    • Texas instrument의 IC 7400의 경우 4개의 Nand Gate를 가짐 (1개의 NAND는 10개의 component가 필요)

  • 10개~100개의 gate 포함시 Medium Scale Integration(MSI)라고 불리며 Adder, Resistor, Counter, Mux 등을 구성한다.

1964년~1970년대 초

• 3세대 컴퓨터의 핵심 소자로 자리를 잡았다.
  • IBM 360 family, UNIVAC 1108이 대표적이다.
  • 컴퓨터의 소형화가 가능해지고 연산 속도가 Nano-second 수준으로 향상되었다.
  • Basic이 등장하였다.
• Large Scale Integration(LSI)이 개발되면서 1990년대 이후를 5세대 컴퓨터라고 부르는 경우도 있음
  • pemto-second의 연산수준 및 OOP Language, AI 개발로 이어졌다.
  • 100만개 수준의 소자를 하나의 chip으로 구현하였다.
  • Ultra Large Scale Integration도 가능해져서 백만개 이상의 소자를 하나의 chip으로 구현이 가능해졌다.

위의 숫자는 각 세대별 컴퓨터의 시작 년도 수준으로 이해해야 하며 IC의 구분의 사용할 수 없다. 2022년 기준으로 어느 정도의 processor들은 수백억 이상, 고성능이라면 이미 수천억개 이상의 소자를 집적하고 있다.

오늘날

• 집적하고 있는 소자 수 이상으로 설계방식 등이 성능에 미치는 영향이 매우 커지고 있으며 오래된 CPU 취급을 받는 Intel의 i7 2600k에 100억, 라이젠7 5800x에는 600억 이강의 transistor가 집적된 상태이다. 가정용 게임기인 Xbox Series X에 사용되는 APU에도 150억 개 수준의 transistor가 집적되어 숫자로 나누는 것은 의미가 없다.

실재로 ULSI보다 VLSI로 통일해서 칭한다.

• 현재의 VSIL은 모두 Electronic Design Automation(EDA) Tool의 도움을 받아 설계가 이루어지고 시제품용 등의 대부분 Hardware Description Language(HDL)라는 프로그래밍 언어를 통한 coding으로 설계가 이루어진다.
  • HDL 중에서 Velilog, SystemC(기업, 각각 C와 C++과 비슷함)와 VHDL(학교, 연구실) 등이 주로 사용된다.
  • 일반적인 프로그래밍과 달리 디지털 회로를 텍스츠로 표현하는 언어이다.
  • Field Programmable Gate Array(FPGA)가 포함하고 있는 수많은 gate들을 사용자(설계자)가 HDL로 지정하는대로 회로가 구성된다.

ASIC (Application Specific IC) and Standard IC(범용 프로세서)

• EDA로 설계된 chip은 ASML의 Lithograpy 장비들을 이용한 여러 요소 공정기술들을 활용하여 만들어진다.
  • VLSI는 UV(Ultraviolet, 자외선)으로 찍어낸다.
  • FPGA와 달리 ASIC은 대량 생산에 유리하다.
  • 삼성전자, TSMC 등이 활용하는 형태이다.
  • 설계 시밀 유지가 가능하고 성능이나 생산 원가에 유리하다.
  • 대량 생산이 아닌 경우 생산 단가가 심각하게 높을 수 있다.
  • Standard IC(사실상 CPU)의 경우 Intel이나 AMD가 만드는 CPU를 포함하며 다양한 SW를 지원하지만 ASIC 대비 매우 단가가 높고 개발이 쉽지 않다.
  • ASIC은 주문형 반도체로도 불린다.

기타

• FPGA는 10만개 이상의 Gate로 구성되며 ASIC 대비 높은 전력 소모 높은 단가를 가지지만 소량의 생산에서는 비용이 적게 든다는 장점과 함께 프로그래밍을 통한 재구성이 가능한 장점 때문에 널리 사용됐다.

  • Intel(Altera)과 AMD(Xilinx)가 양분하고 있다.
  • ASIC 대비 느리고 복잡한 설계를 하기 어렵다.

• PLD는 Programmable Logic Device의 약어로 FPGA보다 적은 수의 Gate를 사용하는 단순한 회로구성에 사용된다. 회로를 직접 프로그래밍이 가능하다는 점에서 FPGA와 비슷하다.

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reference
CE mkdocs