Day-7

2장 전자 회로의 조합 논리

-컴퓨터는 어떤 논리로 비트를 다루는가

3. 비트를 처리하기 위한 하드웨어

3-1 릴레이

: 릴레이(계전기 라고도 부름)는 스위치를 움직이기 위해 전자석을 사용하는 장치다.

전기와 자기 사이의 편리한 관계?

전자석

• 선을 둥글게 감아서 코일로 만들고 전기를 흘려보내면 코일이 전자석이 된다

• 켜고 끌 수 있기 때문에 물건을 움직일 때 활용 가능

• 전기로 움직이는 자동 스프링클러 시스템 (수도 밸브를 제어할 수 있음)
  
  단극쌍투 릴레이 스키매틱 기호

• 코일에 전력이 들어가지 않아서 스위치가 열려있음

• 이런 릴레이를 평상시 열린 릴레이 라고 부른다. (↔ 평상시 닫힌 릴레이)
  
  맨 아래 두 접점은 선으로 만든 코일로 이어짐.
  릴레이를 사용해 논리함수를 만들 수 있다
  
  AND와 OR 함수를 구현하는 릴레이 회로

• 스위치가 다른 스위치를 제어하게 만들 수 있고, 컴퓨터에 필요한 복잡한 논리를 만들 수 있음

• 두 릴레이가 모두 활성화 돼야 두 선이 연결됨 (AND 함수 정의와 같음)

릴레이를 사용하면 NOT 함수를 구현하는 인버터를 만들 수 있다

• NOT이 없으면 표현 가능한 불리언 연산이 제한 됨
• AND 회로에서 나온 출력을 OR 회로의 입력 중 하나를 구동하기 위해 연결 가능
• 스위치가 다른 스위치를 제어하게 만들 수 있고, 컴퓨터에 필요한 복잡한 논리를 만들 수 있음

스테퍼 릴레이

: 코일을 2개만 사용하는 단극십투

• 코일 하나는 에너지가 들어올 때마다 접점을 다음 위치로 옮긴다
• 다른 코일은 접점을 최초 위치로 돌려보내서 릴레이를 재설정

릴레이의 문제점?

• 느리고 전기를 많이 소모함
• 먼지(or 벌레)가 스위치 접점에 있으면 제대로 작동하지 않음

진공관

• 영국 물리학자이자 전기 엔지니어인 존 앰브로즈 플레밍경이 발명
• 열전자 방출이라는 현상을 기반으로 만들어짐
  • 열전자 방출: 물체를 충분히 가열하면 전자가 튀어나온다
• 캐소드와 캐소드를 가열하는 히터가 있다. 캐소드에서 발생한 전자는 진공관속에서 애노드로 날아간다.
• ‘타자’ 역할을 하는 요소를 그리드 라고 한다.
• 그리드는 캐소드에서 나오는 전자를 쫓아내서 애노드에 도착하지 못하게 만든다.
  
  삼극관

: 캐소드, 그리드, 애노드 가 들어있는 진공관

히터는 캐소드를 가열해 전자가 튀어나가게 하는데, 그리드가 방해하지 않으면 전자가 애노드에 도달하게된다.

그리드를 스위치 손잡이로 생각할 수 있다

진공관의 장점과 단점

• 움직이는 부분이 없어서 릴레이보다 훨씬 더 빠름
• 전구와 마찬가지로 진공관도 아주 뜨겁고 깨지기 쉬움 (필라멘트가 타듯이 히터도 타버릴 수 있음)

트랜지스터

• 진공관과 비슷하지만 반도체라는 특별한 물질을 사용함
• 트랜지스터에서 열을 제거하는 일은 중요하다.
  • 도체가 가늘고 얇아지면 저항이 더 늘어나기 때문에 열이 발생 → 반도체는 쉽게 녹을 수 있음
• 반도체 물질로 이뤄진 기판 또는 슬랩 위에 만들어짐
• 트랜지스터 그림을 실리콘 웨이퍼(얇은 판)위에 투영해서 현상하는 광식각이라는 과정 통해 만들어짐
  • 광식각 과정은 대량생산에 적합함.
    • 한 실리콘 웨이퍼 기판위에 수많은 트랜지스터를 투영해 현상한 후 개별적인 부품으로 잘라낼 수 있기 때문
• 더 작고 빠르고 신뢰할 수 있으며 전력도 적게 소모하는 논리 회로를 만들 수 있게 됨
• AND 함수 같은 간단한 회로를 만들때 조차도 부품이 너무 많이 필요함 (단점)

트랜지스터의 유형

• 쌍극 접합 트랜지스터
  • 전기가 한 방향으로만 흐를 수 있음
• 필드 효과 트랜지스터

도핑

• 비소처럼 위험한 물질을 기판 물질의 성질을 변화시키기 위해 기판 위에 얇게 분사하는 과정
• p와 n의 유형의 물질로 이뤄진 영역을 만들어냄
• 트랜지스터를 만들려면 p와 n의 샌드위치를 만들어야 한다.

트랜지스터 유형의 스키매틱 기호

NPN, PNP, N채널, P채널 이라는 용어는 샌드위치 구성 방법을 뜻함.

게이트나 베이스는 스위치 손잡이

손잡이가 올라가면 전기가 위에서 아래로 흐름 (릴레이의 코일이 접점을 움직이는 것과 비슷함)

금속산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터

• FET의 일종
• 전력 소모가 적기 때문에 현대 컴퓨터 칩에서 가장 널리 쓰이고 있음
• N채널과 P채널 MOSFET을 서로 보완하도록 한 쌍으로 묶어서 사용하는 경우가 많다
  • 이것으로 부터 CMOS 라는 말이 나옴

집적 회로

• 복잡한 시스템을 트랜지스터 하나를 만드는 정도의 비용으로 만들 수 있음
• 생긴 모양 때문에 칩 이라고 불렸음