Building HW for Bits

• Bit를 위한 H/W는 일종의 전기를 이용한 Switch

Relay

• Electromagnet을 이용한 일종의 switch
• Relay에 의해 전기가 가해지면 electromagnet에 의해 switch가 켜지고, 전기가 끊기면 내부의 스프링에 의해 다시 꺼지는 동작
• 일반적으로 전자석 제어용 전압/전류는 낮음. 이를 이용하여 더 높은 전압/전류를 제어하는데 사용
• 일반적인 switch와 달리 고전압, 고전류를 제어하는 switch로 활용됨.
• 단점으로는 Back EMF(Back ElectroMotive Force)에 취약.

Relay's Schematic Diagram

• SPST : Single Pole Single Throw
• SPDT : Single Pole Double Throw
• DPST : Double Pole Single Throw
• DPDT : Double Pole Double Throw

Vacuum tube

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

• Heater에 의해 cathode가 충분한 온도에 도달하면 electron이 방출되고 이 electron은 vacuum tube내에서 anode로 전달됨.
  

• Diode : vacuum tube가 cathode와 anode만 가진 경우 전류를 한방향으로만 흐르게 하는데 사용됨.

• Triode : Cathode에서 방출된 electron이 anode로 가는 경로에 grid를 삽입하고 해당 grid에 작은 전압 변화를 가할 경우, cathode에서 anode로 흐르는 전류에 매우 큰 변화를 가져올 수 있음.

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• 실제 IC에 비해 너무 커서 오늘날 컴퓨터에 잘 사용하지 않음.

• 열전자 방출을 위한 heater로 인해 너무 뜨겁고 에너지 소모 큼.

• 깨지기 쉬움.

• 현재 의료기기 중에서는 X-ray tube 에 사용. 이외에도 전자레인지, 오디오 기기 등에서도 사용.

• 첨단 분야에서는 핵융합 발전 등에서 plasma를 가속시키기 위해 사용되는 등 응용분야가 많은 편

Transistor(Transe+Registor)

• 오늘날 전자기기에서 주로 사용. 전기회로와 전자회로를 구분짓는 active device의 대표적인 소자.
• 물리적인 switching을 수행하는 Relay나 열을 가해야하는 vacuum tube 등에 비해 모든 면에서 우수함.
• 전류(BJT), 전압(FET)에 의해 제어되는 switch , 가변저항, 증폭기 로 사용.

Bipolar-Junction Transistor(BJT) and Field Effect Transistor(FET)

• device 하나의 효율은 BJT가 좋지만 FET는 크기가 작아 같은 크기에 60~80배의 집적도가 가능하여 FET가 더 많이 사용되는 추세
• FET 중에서도 Metal Oxide Silicon FET 가 주로 사용. N-channel MOSFET , P-channel MOSFET 중에서도 carrier가 빠른 electron을 사용하는 N-channel MOSFET이 가장 많이 사용.

• 하지만, 너무 작게 만들 경우 발열이 커져 substrate인 silicon에 손상을 줄 수 있어 소형화에 한계가 있음.
• carrier의 속도에 의한 동작속도에 한계가 있음.

N-MOS and P-MOS FET : CMOS

• N-MOSFET 과 P-MOSFET는 각기 상보적인(complementary) 특징을 가지기 때문에 이 둘을 조합한 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) FET이 낮은 전력 소모 등의 장점을 보임으로서 컴퓨터에서 많이 사용됨.
• 컴퓨터의 Basic Input/Output System(BIOS)에서 필요로 하는 주변기기 정보를 저장하는데 사용되는 반도체 기반 소자임.

CMOS and BIOS

• BIOS는 H/W와 S/W의 중간 형태인 Non-volatile(비휘발성) Firmware의 일종으로 부팅시 가장 먼저 제어권이 주어지며 H/W 초기화 및 검사를 수행하고 부트로더 또는 저장장치에 저장된 OS를 RAM으로 로딩하는 역할임.
• H/W의 가장 낮은 수준 I/O을 담당.
• OS는 main board와 graphic card 등의 H/W와 통신을 직접 수행하지 않고 BIOS를 중간 매개체로 통신
• BIOS는 부팅 시 필요한 기본적 기능을 수행하는 firmware이며 이 수행에 필요한 설정이 CMOS에 저장됨.

Firmware

• 특정 HW 장치에 포함된 SW로 SW를 읽어 실행하거나 수정하는 것도 가능한 device
• HW의 low-level control과 구동을 담당하는 일종의 OS
• 보통 ROM에 저장이 되곤 했지만 요즘은 PROM, Flash Memory에 firmware가 저장됨.

IC(Integrated Circuit)

• 여러 transistor로 구성되는 복잡한 회로를 하나의 transistor 가격으로 만들 수 있게 됨.
• 흔히 Chip 이라 부르며 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 함.
• 1-10개의 gate가 집적된 IC를 Small Scale Integration(SSI)라고 부름.
• 10-100개의 gate 포함 시 Medium Scale Integration(MSI)라고 불리며 Adder, Register, Counter 등을 구성.

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• 1964-1970년대 초이 3rd generation computer의 핵심 소자로 사용
• 컴퓨터의 소형화가 가능해지면서 연산 속도가 nano-second 수준으로 향상
• Large Scale Integration(LSI)이 개발되면서 1970년대 중반에서 1980년대 4th generation computer 시대에 1000~10만개 정도의 소자를 하나의 chip으로 구현.
• Very Large Scale Integraion(VLSI)이 개발되면서 10만~100만개 수준의 소자를 하나의 chip으로 구현.
• 현재의 VLSI들은 모두 Electronic Design Automation(EDA) tool의 도움을 받아 설계가 이루어지고 시제품용 등의 경우 대부분 Hardware Description Language(HDL)라는 프로그래밍 언어를 통한 coding으로 설계가 이루어짐.
• Field Programming Gate Array(FPGA)가 포함하고 있는 수많은 gate들을 설계자가 HDL로 지정하는대로 회로가 구성됨.

ASIC(Application Specific IC) and Standard IC

• EDA로 설계된 chip은 ASML의 Lithograpy 장비들을 이용한 여러 요소 공정기술들을 활용하여 만들어짐.
• FPGA와 달리 ASIC는 대량 생산에 유리
• 설계 기밀 유지가 가능하고 성능이나 생산 원가에 유리
• 단, 소량 생산에는 불리한 구조
• Standard IC의 경우 Intel이나 AMD가 만드는 CPU를 포함하며 다양한 SW를 지원하지만 ASIC 대비 단가가 높고 개발이 쉽지 않음.
• ASIC는 주문형 반도체라고도 불림.

FPGA

• FPGA는 자체가 logic을 담고 있고 IC처럼 해당 logic을 수행하는 chip.
• 그러면서도 logic을 구현할 때, HDL과 같은 특별한 programming language로 구현하고 이를 FPGA에서 다운로드 시킴으로 해당 logic을 수행하는 HW가 됨.
• FPGA는 firmware보다 한발 더 나아간 수정이 가능한 Hardware라고 할 수 있음.

FPGA vs ASIC

• 반도체로 구현되는 다양한 IC들이 사용되는 경우 대부분 ASIC 형태로 만들어짐.
• 해당 task를 수행하는데 가장 빠르고 효율적인 IC를 만들 수 있으며 high-volume production application의 경우 가장 낮은 개별단가가 가능.
• 한번 setup 후에 생산하는데 초기비용이 높고 이를 낮추기가 어려워 low-volume production application에서 사용하기 쉽지 않음.
• FPGA는 design, manufacture의 초기 비용은 낮지만 setup 이후 생산 개별 단가는 ASIC보다 높음.
• 개별 제품이 고가이고 소량다품종이 요구되는 산업분야에 ASIC보다 나은 선택이 됨.

References :
1) https://www.quora.com/What-are-SPST-and-DPDT
2) https://yooshinchoi.com/2020/10/02/triode-vacuum-tube-3%EA%B7%B9-%EC%A7%84%EA%B3%B5%EA%B4%80/
3) https://m.blog.naver.com/ambrossio/220722681091
4) https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8E%8C%EC%9B%A8%EC%96%B4
5) https://gdnn.tistory.com/120
6) https://dsaint31.me/mkdocs_site/CE