[CS] 2-3 비트를 처리하기 위한 하드웨어

릴레이

• 전자석 : 선을 둥글게 감아서 코일로 만들고 전기를 흘려보내서 만들며, 켜고 끌 수 있어 물건을 움직이는 데에 활용한다.
  • 코일 주변에서 자석을 움직이면 전기가 생기는데, 이런 방식으로 발전기가 작동한다.

• 릴레이(계전기) : 스위치를 움직이기 위해 전자석을 사용하는 장치.

  • 평상시 열린 릴레이 : 코일에 전력이 들어가지 않을 때 (전력을 인가하지 않을 때) 스위치가 열려 있는 릴레이.
  • 평상시 닫힌 릴레이 : 코일에 전력이 들어가지 않을 때 스위치가 닫혀있는 릴레이.

• 릴레이로 AND, OR 연산을 표현할 수 있을 뿐 아니라, 스위치로는 불가능 한 NOT 함수를 구현하는 인버터를 만들 수 있어 더욱 복잡한 논리를 만들 수 있다.

• 스테퍼 릴레이 (코일을 2개만 사용하는 단극십투) : 코일 하나는 에너지가 들어올 때마다 접점을 다음 위치로 옮기고, 다른 코일은 접점을 최초 위치로 돌려보내서 릴레이를 재설정.
  • ex) 전화번호 세기, 핀볼기계 등 예전에 많이 사용되었다.

• 릴레이에서는 전이함수의 문턱값이 수직이다.
  • 코일에 가하는 전압을 아무리 천천히 높여도 스위치는 항상 다른 위치로 단숨에 움직인다.
  • 라그랑주 해밀턴 방정식에 의해, 이 경우 문턱에서 전이함수 값이 정의되지 않는다.

• 릴레이의 문제점
  • 느리고 전기를 많이 소모하며, 먼지나 이물질이 스위치 접점에 있으면 제대로 작동하기 않는다.
    • ex) 릴레이에 낀 나방에서 유래한 용어 'Bug'
  • 코일의 전원을 갑자기 끄면 순간적으로 초고압이 발생하며, 초고압에서는 공기에서도 전기가 통한다. 이러한 현상이 발생하면, 접점이 마모된다.

진공관

• 열전자 방출 : 물체를 충분히 가열하면 저자가 튀어나오는 현상.

• 진공관 : 열전자 방출 현상을 기반으로 만들어 졌다.

  • 캐소드 : 진공관 내에서 투수와 같은 역할로, 전자가 흘러나오는 장소이다.
    • 히터 : 캐소드를 가열
  • 애노드 : 캐소드에서 발생한 전자가 애노드를 향해 날아간다. 즉 전자가 흘러 들어가는 장소이다.
  • 그리드 : 진공관 내에서 타자 역할을 하는 것. 캐소드에서 나오는 전자를 쫓아내서 애노드에 도착하지 못하게 한다.

• 삼극관(트라이오드) : 캐소드, 애노드, 그리드 세 가지 요소가 들어있는 진공관

• 진공관의 작동방식을 정리하면, 히터는 캐소드를 가열해 전자가 나오게 하고 그리드가 방해하지 않을 경우 전자가 애노드에 도달한다. 즉, 그리드가 스위치 손잡이 역할을 한다.

• 진공관의 장단점
  • 장점 : 움직이는 부분이 없어 릴레이보다 훨씬 빠르다.
  • 단점 : 전구와 마찬가지로 뜨겁고 깨지기 쉽다.

트랜지스터

• 트랜지스터 : 전송저항(transfer resistor)을 줄인 말로, 진공관과 비슷하지만 반도체 물질로 이뤄진 기판 또는 슬랩 위에서 만들어진다.(보통 실리콘이 기판 재료로 쓰인다.)

• 반도체 : 도체와 부도체 사이를 오갈 수 있는 물질

• 트랜지스터는 아주 작게 만들수 있지만, 도체가 가늘고 얇아지면 저항이 더 늘어나, 열이 발생하는데 반도체는 쉽게 녹을 수 있어 이 열을 잘 제거하는 것이 중요하다.

• 광식각 : 트랜지스터 그림을 실리콘웨이퍼라는 얇은 판 위에 투영해서 현상하는 것
  • 수많은 트랜지스터를 투영해서 현상한 후에 개별 부품으로 잘라낼 수 있어 대량생산에 적합.

• 트랜지스터의 주요한 두 가지 유형은 쌍극 접합 트랜지스터(BJT)와, 필드 효과 트랜지스터(FET)이다.
  • 두 유형은 각각 게이트와 베이스라는 스위치 손잡이 역할을 하는 것이 있어 스위치와 비슷한 역할을 한다.(정전기 효과를 사용해 스위치를 움직이는 것과 유사)
  • 쌍극 접합 트랜지스터에서는 전기가 한 방향으로만 흐를 수 있다.

• 금속산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) : FET의 일종으로 전력 소모가 적어 현대 컴퓨터에서 가장 널리 쓰인다.

집적회로

• 트랜지스터를 사용하면 AND 같은 간단한 함수의 회로를 만들 때도 부품이 너무 많이 필요하다.
• 집적회로를 사용하면 복잡한 시스템도 트랜지스터 하나를 만드는 정도의 비용으로 만들 수 있다.
  • 집적회로는 모양 때문에 칩이라고도 불린다.