CS : 비트를 처리하기 위한 하드웨어

 

이번 단에서는 하드웨어를 만드는 방법에 대해 공부한다.
바로 현대적인 전자적 구현 기술로 들어가면 어렵기에 역사적인 기술을 설명하면서 점차 복잡한 기술로 나아갈 것이다.

릴레이

전기가 컴퓨터에 필요한 동력을 공급하는데 쓰이기 시작한것은 전기가 발명된 후 얼마 지나지 않아서 이다.
전기와 자기 사이에는 편리한 관계가 있다. 바로 코일에 전기를 흐르게하면 전자석이 되는 점이다.
이를 이용한것은 전기를 이용해 자동으로 움직이는 스프링쿨러가있다.

릴레이(계전기라고도 부름)는 스위치를 움직이기 위해 전자석을 사용하는 장치이다.

[단극 쌍투 릴레이 스키매틱 기호]

코일에 전력이 들어가지 않았을 때에 상태에따라 열려있으면 '평상시 열린 릴레이' 닫혀있으면 '평상시 닫힌 릴레이 라고 한다. 중간의 철(금속)부분은 코일에 에너지가 가해졌는지 여부에 따라 연결이 움직인다.

그림 2-22와 같이 논리 함수를 만들 수 있다.
위의 그림은 두 입력 모두 활성화 되어야출력이 된다 (AND)
아래의 그림은 둘중 하나의 입력만 있어도 출력이 된다(OR)

릴레이를 활용하면 스위치로는 불가능한 NOT함수를 구현할 수 있다.(인버터)
위의 and회로를 아래의 or회로의 입력부로 만들어줄수도 있다. 이렇게 되면 컴퓨터에 필요한 복잡한 논리를 만들수 있게 된다.
(여기까지 릴레이와 릴레이 회로를 이용한 컴퓨터 논리 만드는 방법 설명)

이렇게 여러 논리가 응용이 되어 사람들이 릴레이를 활용해 많은 일을 하게 되었다. 예를들어 다이얼을 사용하는 전화기나 오래된 핀볼 기계등이 있다.

릴레이에서 전이 함수의 문턱값은 수직이다(전압을 아무리 천천히 높여도 스위치는 다른위치로 단숨에 움직인다.)

릴레이는 느리고 전기를 많이 소모하며, 이물질에 취약한 문제가 있었다.
이때 버그라는 말이 나왔는데 릴레이에 낀 벌레때문에 문제가 발생하여서 오늘날에도 버그라는 말을 쓴다(프로그래밍 버그)

이러한 단점 때문에 열전자 방출 현상을 기반으로 한 진공관이 사용되기 시작했다.
진공관은 한쪽에 열을 가하면 다른극 쪽으로 전자가 이동하려하는데 중간에 막아주는 판을 설치해서 작동하는 원리를 가진것이 삼극관이다.
중간에 막아주는 그리드를 스위치의 손잡이로 생각할 수 있다.

진공관도 뜨겁고 내구성이 약하다는 단점이 있었지만 릴레이에 비해 빠르고 안정적으로 컴퓨터 구성이 가능해졌다.

최근에는 트랜지스터가 사용되고있다. 트랜지스터는 반도체를 사용해서 만들었으며 반도체는 열에 취약해 열을 제가하는게 중요한 부품이다.

우리가 알아둬야할 부분은 트랜지스터가 반도체 물질로 이루어진 기판위에 만들어진다는 점이다.

트랜지스터에서 중요한 유형은 쌍극 접합과 필드효과 트랜지스터이다.

게이트나 베이스 부분이 손잡이 역할을 하며 손잡이가 올라가면 전기가 흐른다.
트랜지스터는 이전것들과 달리 전기가 한 방향으로만 흐를 수 있다.
FET기호에서 보면 작은 틈을 볼수 있는데 정전기를 사용한다는 뜻이다.
이방식이 전력소모가 적어 현대 컴퓨터에서 널리 쓰이고 있다.

직접회로
직접회로는 트랜지스터를 사용해 논리회로를 만들때 너무 많은 트랜지스터가 들어가서 이 단점을 보완하기 위해 생겨난 것이다. 직접회로는 생긴 모양 때문에 '칩'이라고 부른다.