2021. 7. 17. 14:02ㆍ개발/컴퓨터구조
문득 논리회로를 학습하다가 게이트가 어떤 역사를 통해 완성되었는지 궁금해서 글을 쓴다. 너무 깊이 들어가면 회로이론수준까지 가버려서 큰 틀만 이해하는 식으로 작성했다. ( 자세한 설명은 전자과 형님들에게 물어보자. ) 내용은 컴퓨터 구조 서적인 "한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍 (저 : 조너선 스타인하트)" 를 참고해서 작성했다.
게이트와 스위치
아래는 OR 게이트와 같은 결과를 만들어내는 가장 심플한 형태의 전자회로이다. A와 B 스위치의 계폐에 따라 램프의 점등 여부가 달라진다. 즉 A와B 스위치가 입력을 나타내고, 램프가 결과값을 의미한다고 볼수 있다.
아래는 AND, OR, NOT 게이트 모습이다. 결국에 우리가 알고 있는 게이트는 스위치를 회로에 어떻게 배치하느냐에 따라 달라진다.
기계적인 스위치
아래는 가장 단순한 형태의 스위치이다. 물리적으로 스위치를 이동시키면서 회로를 열거나 닫는다. 공기는 보통 부도체라고 생각하지만 전압이 높아지면 공기가 이온화되면서 도체가 된다. ( ex. 번개 ) 이 경우 스위치가 물리적으로 떨어져있지만 전기가 흐를수 있다는 단점이 있다.
릴레이
이후 릴레이(relay; 계전기)가 등장했다. 릴레이는 선을 둥글게 말아서 전기를 흘리면 전자석이 되는 원리를 이용한 스위치이다. 릴레이는 코일에 가하는 전압을 천천히 올리더라도 스위치가 단숨에 다른 위치로 움직이는 특성이 있다. ( 전이함수 문턱값이 수직이다. ) 릴레이는 전기를 많이 소모하고, 접점에 먼지나 이물질이 껴있으면 제대로 스위치가 닫히지 않는 단점이 있다. 또한 코일의 전원이 갑자기 차단되면 초고압이 발생하기때문에 공기가 이온화 되어 강한 전기가 흐르게되며 결국 접점을 마모시킨다.
진공관
릴레이 이후에 진공관이 등장한다. 진공관은 진공속에 있는 물체를 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출 현상을 이용해서 만들어 졌다. 아래는 3극 진공관의 모습이다. Heater가 열을 뿜어내며 cathode를 가열하게 되면 cathode가 전자를 방출하게 된다. 방출된 전자는 Anode로 향하게 되는데 여기서 Grid가 Anode로 향하는 전자를 방해할수 있다. ( 전자이동을 차단. 즉, 스위치를 여는것과 같은 효과 ) Grid에 적절하게 전자량을 조절하면 Anode로 향하는 전자를 차단 또는 통과할수 있게 된다.
진공관은 물리적으로 움직이는 부분이 없어서 릴레이보다 훨씬 빠르다. 다만 열을 가해야하기 때문에 아주 뜨겁고 깨지기 쉽다는 단점이 있다. ( 전구처럼 타버리는 경우도 있다. )
트랜지스터
진공관 이후는 트랜지스터가 등장한다. 트랜지스터는 종류가 다양한데 기본적으로 현대의 트랜지스터 생성방법은 반도체 물질인 실리콘에 다른 물질을 도핑(Doping)함으로써 전자의 이동을 이끌어 내는 방식이다. ( 배우기 쉽지않은 영역이라 아래 유튜브의 도움을 받아 대략적으로만 이해했다. 한글 번역버전이 있는데 구글번역기보다 못한 수준이라 영문 링크를 걸어둔다. )
아래 사진은 최초의 트랜지스터를 흉내내서 만든 복제품이다. 이때는 도핑의 개념도 없었고, 반도체 소자로 실리콘이 아닌 게르마늄을 썻다고 한다.
트랜지스터는 실리콘 웨이퍼 위에 투영해서 현상하는 광식각이라는 과정을 통해 만들어지기 때문에 하나의 웨이퍼에 수많은 트랜지스터를 현상할 수 있다. 즉, 대량생산이 가능하게 된다. ( 뉴스에서 흔히 볼수 있는 이 넓은 판이 바로 실리콘 웨이퍼다. ) 또한, 트랜지스터는 전력 소모량도 적기 때문에 널리 사용되고 있다.
집적회로
트랜지스터의 크기가 점점 소형화 되면서 1950년대에 잭 킬비가 (주로)트랜지스터를 모아서 집적회로(Integrated Circuit)를 만들었다. 기존에 AND게이트와 똑같은 역할을 하는 회로를 만들기 위해서 직접 트랜지스터를 구성해야하는 어려움이 있었는데 집적회로를 통해 트랜지스터를 묶어서 하나의 Chip형태로 만들어 버렸다.
트랜지스터로 2개의 입력을 받는 AND 게이트를 만들려면 아래와 같이 회로를 구성해야한다.
하지만 위 회로를 하나의 집적회로에 담아서 칩의 형태로 제공하게 된것이다.
트랜지스터 뿐만아니라 다른 소자들도 함께 점점 소형화되면서 같은 크기의 집적회로(칩)에 더 많은 소자들을 집어넣을 수 있게되었다. 이 뜻은 결국 같은 크기의 컴퓨터에 더 많은 집적회로(칩)를 넣게 되었다는걸 의미하며, 이는 컴퓨터 연산처리 속도의 눈부신 발전을 가져오게 된다.
아래는 1971년 인텔이 최초로 만든 민간용 CPU인 인텔 4004인데 1.2cm 정도 길이의 칩에 2250개의 트랜지스터가 사용되었다.
참고 사이트
도핑 (반도체) - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
반도체의 제조 과정에서 도핑(doping)은 의도적으로 진성 반도체에 불순물을 첨가함으로써 전기적 특성을 조절하는 것을 말한다. 이렇게 도핑된 물질을 불순물 반도체라 한다. 높은 수준으로 도
ko.wikipedia.org
AND 게이트 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
ko.wikipedia.org
History of the transistor - Wikipedia
From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to navigation Jump to search Semiconductor device history A transistor is a semiconductor device with at least three terminals for connection to an electric circuit. In the common case, the third terminal controls
en.wikipedia.org
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