비트 처리를 위한 하드웨어
전기신호로 무언가를 표현하려면 도체와 부도체의 교체를 통해 전기가 통하거나 통하지 않는 것을 의도대로 표현할 수 있어야한다. 그것을 장치적으로 구현한 것이 스위치이다. 하지만, 자동적인 계산을 실행하기 위해서는 스위치를 개선할 필요가 있다. 기본적으로 스위치를 작동 하는 알고리즘은 우리 머릿속에 있고, 동작시키는 장치는 우리 손이기 때문이다. 쉽게 말해서 모든 전기신호 제어를 단순히 스위치로만 구현한 컴퓨터는 연산 과정에 따른 신호 전달 스위치를 수동으로 조절해줘야 한다는 의미다.
릴레이
릴레이는 앞서 말한 수동 작동의 한계를 해결하기 위한 장치이다. 스위치를 켜고 끄는 동작 자체도 회로 안에서 이루어질 수 있도록 설계됐다. 이 장치의 작동원리는 전자석 원리의 응용이다.
도선에 전기가 흐르면 도선을 중심으로 원형으로 자기장이 형성되는데 이를 전자기장이라고 한다. 얇은 하나의 도선에 대해서는 어떠한 영향을 미치기 어려운 수준의 자기장과 인력, 척력이 형성되지만 그 도선이 여러 겹의 나선형태로 감긴 형태가 되면 나선형이 끝나는 부분에는 N극, 시작되는 부분에는 S극의 자기력이 형성된다.
릴레이는 이렇게 형성된 자기력으로 금속으로 된 스위치를 조작하는 장치이다. 기본값이 열려있는 스위치라면 릴레이에 전기가 통함으로 인해서 닫히는 동작을, 닫혀있는 스위치라면 열리는 동작을 가능케 했다. 물론 최초의 의도전달 자체를 릴레이가 해결해주는 것은 아니다. 그것은 우리가 입력해야하는 정보이니까. 핵심은 스위치와 릴레이를 조합하여, 입력된 결과값을 바탕으로 원하는 연산과 결과값의 전달을 구현할 수 있다는 점이다.
릴레이를 활용한 논리연산
릴레이(스위치 포함)를 두 개 활용하면 아래와 같이, AND연산이나 OR 연산의 구현이 가능하다. 뿐만아니라 의도와 다르게 인력-척력을 활용하면 NOT연산과 XOR연산 역시 구현 가능하다.
진공관
릴레이는 실제 거시물리 수준의 현상을 제어하는 장치이므로 사실 지속성의 측면에서 문제가 많다. 기본적으로 여러가지 자연적 힘에 의해 마모되는 점, 장치 사이에 이물질이 들어가면 먹통이 되는 점이 대표적이다. 게다가 금속으로 된 스위치가 실제로 움직이는 동작을 행하기 때문에, 전기에 속도에 비해선 턱없이 느린 전달과정이 포함되는 셈이다. 이를 해결하고자 발명된 것이 진공관이다.
진공관은 히터와 캐소드, 그리드, 애노드로 구성되어있는 장치이다. 기본 원리는 물체를 가열하면 전자가 방출되는 열전자 방출현상의 응용이다. 히터로 캐소드를 가열하여 애노드 방향으로 전자를 방출시키는 방식으로 동작한다. 그리고 이 전자 전달을 조절하기 위한 것이 그리드이다. 그리드의 역할은 캐소드에서 방출된 전자의 경로를 차단하여 애소드로 도달하지 못하게 하는 것이다.
이 장치는 기존 장치인 릴레이에 비하면 빠르고 안정적인 작업을 수행한다. 하지만, 열전자 방출현상을 발생시키기 위하여 고온을 발생시키다보니 도선이 타버릴 수 있으며, 장치를 감싸고 있는 유리의 내구도가 곧 장치 자체의 내구도가 되기 때문에 당시 기술로는 그다지 내구도가 좋은 장치는 아니었다.
트랜지스터
트랜지스터는 현재도 많은 컴퓨터에 쓰이는 장치다. 도체와 부도체를 바꾸는 방식을 하나의 물체의 성질 자체를 바꿈으로서 해결한 장치다. 도선 사이에 도체 상태와 부도체 상태를 오갈 수 있는 반도체를 삽입하여 의도에 따라 상태를 조절하는 것이다.
트랜지스터의 매우 중요한 역할인 스위칭 작용에 대해 알아보자. 스위치 하면 떠오르는 것이 집에 있는 전등의 스위치일 것이다. 전등의 스위치를 생각하면 트랜지스터의 스위칭 작용은 매우 쉽다. 아래 회로와 같이 스위치가 열려 있으면 베이스에 전류가 흐르지 않고 이때 모든 전류계에 전류가 흐르지 않는다.
https://news.samsungdisplay.com/23538/
하지만 스위치를 닫아 베이스에 전류가 흐르면 모든 전류계에 전류가 흐르게 된다. 이런 성질을 이용하면 회로에서 전류가 흐를 때를 1, 전류가 흐르지 않을 때를 0으로 하여 스위치처럼 이용할 수 있다. 이것을 트랜지스터의 스위칭 작용이라고 한다.
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직접회로
트랜지스터는 스위치의 역할로 비트를 제어할 때 물리적 크기도 작고, 빠르며 정확도도 높고 전력 사용도 비교적 적은 형태로 작동한다. 하지만 간단한 회로를 만들 때조차 많은 부품이 필요하다. 이를 극복하기 위해 발명된 하드웨어가 집적회로이다. 집적회로는 트랜지스터로 조합한 연산을 트랜지스터 하나의 비용으로 손쉽게 구현할 수 있다.
마무리
전자 앞길 막기
