[1일 1로그 100일 완성 IT 지식] 하드웨어 - 컴퓨터의 구조

해당 글 <컴퓨터의 구조>에서 요약된 목차 

 

1일 1로그 100일 완성 IT 지식

1부- 하드웨어 

001. 컴퓨터의 논리와 구조 

002. 프로세서 속도와 심장 박동수 

003. HDD와 SSD의 차이 

004. 가로세로 1cm 프로세서 칩 

005. 50년 넘게 유지된 무어의 법칙 

 

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컴퓨터의 논리와 구조 

 

컴퓨터가 무엇인지는 두 가지 부분으로 나누어 살펴볼 수 있다.  

 

1. 논리적 구성

- 컴퓨터가 어떤 부분들로 이루어져 있고 무슨 일을 하며 어떻게 연결되는지 설명 

 

2. 물리적 구조 

- 각 부분이 어떻게 생겼고 어떻게 만들어지는지 설명 

 

먼저 컴퓨터의 구성을 보자면 프로세서, 주 기억 장치, 보조 기억 장치, 디스플레이 화면, 키보드 · 마우스 · 터치패드 그리고 기타 장치들(카메라,스피커,마이크)이 있다. 이들은 정보를 전달하는 버스bus라는 여러 개의 전선으로 연결된다. 이와 같은 구조를 폰 노이만 아키텍처라고 하며 1940년대 이래 이어지는 표준이다. 

 

산술 연산과 제어 기능을 제공하는 프로세서는 컴퓨터의 두뇌에 해당한다. 초당 수십억 회 연산을 수행하는 프로세서는 기존 계산 결과를 바탕으로 다음에 수행할 연산을 결정할 수 있어 사용자가 일일히 개입할 필요 없이 상당히 독립적으로 작동한다.

 

프로세서 속도와 심장 박동수 

 

흔히 노트북 하단에 붙어있는 스티커를 보면 core라는 단어를 볼 수 있는데, 코어는 프로세서 제품군 중 하나로서 단독으로 프로세서가 될 수 있지만 더 빠른 계산을 위해 함께 또는 독립적으로 작동하는 코어를 여러 개 포함해 프로세서로 사용되기도 한다. 프로세서의 속도는 헤르츠(Hz)라는 단위로 세며 1초에 수행할 수 있는 연산이나 명령어의 개수를 어림잡아 측정한다. 오늘날의 컴퓨터는 보통 수십억 Hz, 즉 GHz(기가헤르츠) 단위로 작동하며 평범한 프로세서 속도에 속하는 2.2GHz는 인간의 심장이 70년 동안 뛸 박동을 1초 만에 이루어 낸다고 할 수 있다. 프로세서는 관련된 목차를 요약해 하나의 챕터로 만들어 더 상세히 다룰 예정이다. 

 

주 기억 장치는 프로세서가 현재 작업 중인 데이터뿐만 아니라 프로세서가 그 데이터로 무엇을 해야 하는지 알려주는 명령어도 저장한다. 메모리에 적합한 명령어를 저장 및 배치해 프로그램이 실행되는 아이디어인 프로그램 내장식(stored-program)은 하나의 컴퓨터가 여러 기능을 수행할 수 있게 한다. 예를 들어 워드, 브라우저 등 현재 켜져있는 프로그램의 명령어와 프로그램의 데이터를 저장함과 동시에 화면에 표시된 이미지, 재생 중인 음악과 배후에서 작동하는 운영체제의 명령어를 모두 저장한다. 

 

주 기억 장치는 RAM(Random Access Memory)라고도 부르는데 그 이유는 프로세서가 정보에 접근할 때 메모리에 저장된 위치와 무관하게 같은 속도로 접근할 수 있기 때문이다. 대부분의 메모리는 휘발성을 띠며 전원이 꺼지면 내용이 사라지기 때문에 컴퓨터로 작업할 때는 자주 저장해야 한다. 주 기억 장치의 용량은 고정되어 있으며 바이트 단위로 측정된다. 메모리 용량이 크면 컴퓨팅 속도가 빠르다고 할 수 있는데 그 이유는 메모리가 작으면 동시에 여러 프로그램을 실행하기에 용량이 부족하고 비활성화된 프로그램의 일부를 옮겨 새로운 작업을 위한 공간을 만드는 데 시간이 걸리기 때문이다. 

 

HDD(Hard Disk Drive)와 SSD(Solid State Disk)의 차이 

 

보조 기억 장치는 주 기억 장치와 달리 전원이 꺼져 있을 때도 정보를 유지한다. 보조 기억 장치는 크게 두 종류가 있는데 첫 번째는 자기 디스크로, 보통 하드 디스크 또는 하드 드라이브라고 부른다. 비교적 최근에 나온 형태는 SSD(Solid State Disk)라고 한다. 두 종류의 드라이브 모두 메모리보다 많은 정보를 저장하며, 휘발성을 띠지 않아 전력 공급이 없더라도 정보가 유지된다. 

 

디스크  드라이브는 컴퓨터를 이루는 아이디어 중 하나인 "추상화"의 좋은 예다. 컴퓨터 과학에서 추상화의 의미는 복잡한 시스템을 핵심 위주로 간결하게 나타내는 것을 말한다. 드라이브의 내용은 폴더와 파일의 계층 구조로 표시되는데 이것은 데이터가 물리적으로 저장되는 방법을 숨기면서 사용자에게 조직화된 구조를 보여준다. 

 

이 외 컴퓨터에 입력(카메라,마이크,스캐너,마우스,키보드)과 출력(디스플레이,프린터,스피커)을 할 수 있게 해주는 장치들과 다른 컴퓨터와 통신하는 장치(와이파이, 블루투스)들이 있으며 시 ·청각 접근을 보조하는 장치도 있다. 이러한 장치들은 단일 기기로 합쳐지고 있다. 태블릿 PC, 스마트폰 모두 보편적 아키텍처를 기반으로 하면서 플래시 메모리를 사용하며 카메라,마이크,터치스크린, 키보드, 스피커 등 장치들 간의 융합을 잘 이루어내고 있다. 

 

보조 기억 장치인 자기 디스크는 회전하는 금속 표면에 있는 자성 물질의 미세한 영역이 자성을 띠는 방향을 설정하여 정보를 저장한다. 데이터는 동심원을 따라 나 있는 트랙에 저장되며, 디스크는 트랙 간에 이동하는 센서를 이용하여 데이터를 읽고 쓴다. 디스크는 약 6.35cm의 원판으로 되어 있다.

 

오늘날 거의 모든 노트북에는 회전하는 원판 대신 플래시 메모리를 사용하는 SSD가 장착되는데, 플래시 메모리는 개별 소자(element, 전자 회로, 반도체 장치의 주요 구성 부품)에 전하를 유지하는 회로에 정보가 전하 형태로 저장되기 때문에 비휘발성을 띠며 더 빠르고 가볍고 안정적인데다가 물리적 충격에 비교적 강해 휴대폰이나 카메라 같은 제품에도 사용되고 있다. 

 

최근의 노트북용 하드 드라이브는 10~20년 전에 비해 용량이 크게 늘어났지만 겉보기에 별 차이가 없다. 반면 컴퓨터 부품이 올라가 있는 회로 기관은 예전보다 부품의 수가 더 적고 배선이 더 미세하며 훨씬 조밀하게 배치되어 있다.

 

가로세로 1cm 프로세서 칩   

 

컴퓨터 전자 회로는 몇 가지 기본 소자가 많이 모여 만들어진다. 가장 중요한 기본 소자는 로직 게이트를 들 수 있다. 로직 게이트는 한 개나 두 개의 입력 값을 바탕으로 단일 출력 값을 계산해 낸다. 또한 전압이나 전류같은 입력 신호를 이용하여 전압이나 전류인 출력 신호를 제어한다. 로직 게이트는 필요한 만큼 적절한 방식으로 연결되면 어떤 종류의 계산도 수행할 수 있다. 

 

회로 소자에서 가장 핵심적인 부분은 트랜지스터다. 컴퓨터에서 트랜지스터는 스위치(전압의 제어를 받아 전류를 켜거나 끄는 장치) 역할을 한다. 이 원리를 이용하면 어떤 복잡한 시스템이라도 구성할 수 있다. 

 

 로직 게이트는 집적회로 상에서 만들어진다. 집적회로는 흔히 칩 또는 마이크로칩이라고 한다. 집적회로는 디지털 전자 장치의 핵심 요소로 모든 소자와 배선이 얇은 실리콘 판 위에 들어가 있다. 이렇게 실리콘 기반으로 만들어지는 점에서 착안해 집적회로 사업이 처음 시작된 샌프란시스코 남부 지역에 실리콘 밸리라는 별명이 붙게 되었다. 

 

50년 넘게 유지된 무어의 법칙

 

현재 집적회로에는 1965년에 비해 100만 배가 넘는 트랜지스터가 들어있다. 트랜지스터의 수는 컴퓨팅 성능을 간접적으로 나타내는 지표로, 무어의 법칙에 따라 60년 동안 계속 증가해왔다. 무어의 법칙이란 인텔 공동 창립자인 고든 무어가 일정한 크기의 집적회로에 들어갈 수 있는 트랜지스터의 수는 매년 대략 두 배가 된다고 관측한 것이다.

 

회로의 규모를 특정짓는 대표적 척도는 집적회로의 배선 폭, 즉 회로선폭인데 이것의 크기는 오랫동안 계속 줄어들어 왔다. 집적회로의 선폭이 줄어들면 주어진 영역에 들어가는 소자 수가 늘어나 트랜지스터를 훨씬 더 많이 넣을 수 있게 된다.   

 

무어의 법칙은 미래 어떤 시점에서는 적용되지 않을 것으로 보는데 그 이유는 기술적 한계다. 현재 일부 회로에 개별 원자가 단 몇 개만 들어가는 수준인데 이 수준은 인간이 제어하기에 크기가 너무 작다. 프로세서 속도도 예전만큼 빨리 증가하진 않지만 장착 가능한 코어의 개수가 늘면서 성능이 향상된다고 볼 수 있다. 

 

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컴퓨터 하드웨어는 집적회로의 발명을 시작으로 60년 동안 기하급수적으로 성능이 향상됐다. 일정한 기간마다 회로는꾸준히 특정 비율로 더 작아지거나 저렴해지거나 성능이 높아졌다. 이 현상을 무어의 법칙이 설명하고 있으며, 이런 엄청난 성능 향상이 디지털 혁명의 주된 원인이다.

 

성능과 용량의 증가는 컴퓨터에 대한 인식도 변하게 했다. 컴퓨터는 과학 · 공학용 연산, 무기 계산 장치에서 기업 사무 데이터베이스 관리 장치를 거쳐 개인에게 보급되어 인터넷의 등장과 함께 일상 생활에 필요한 다양한 기능을 수행하고 있다.

 

이 과정에서 컴퓨터의 기본 아키텍처는 1940년대 이후로 바뀌지 않은 상태로 하드웨어의 성능과 응용 분야가 눈부신 발전을 거듭했는데 최초의 pc, 오늘날의 컴퓨터, 스마트 기기, 클라우드 컴퓨팅을 제공하는 서버 모두 논리적 속성 또는 기능적 속성은 같다. 

 

하드웨어 성능의 향상은 우리가 현실적으로 무엇을 계산할 수 있는지에는 큰 영향을 미치나 이론 상 계산 가능한 것에는 어떤 변화도 일으키지 않았다.