무어의 법칙

• 자연의 법칙이 아닌 무어가 관측하고 말한 컴퓨터 성능의 증가 양상(어떻게 보면 정확히 법칙은 아닌 것 같다)
• 집적회로에 들어가는 트랜지스터 수가 2년 마다 최소 2배로 성장하는 것을 관찰하여 2년 마다 컴퓨터의 최고 성능이 2배 씩 늘어나는 것을 의미한다.
• 60년 동안 무어의 법칙이 이어져 왔지만 물리적 한계로 인해 점점 어려워 지고 있다.
  • 칩이 너무 빨라져서 발열이 심해진다. > 열을 잡지 못하면 회로가 녹아버린다.
  • 프로세서 코어의 개수를 늘려서 더 많은 트랜지스터를 활용하는 방식을 찾았다. > 정확히는 개별 코어의 실행 속도가 빨라 진게 아니라 코어가 늘어난 것이다.
  • 공정의 단위가 나노미터로 향상되고 원자 단위에 가까워 지면서 한계에 가까워 졌다.

집적회로의 한계와 반도체 시장의 경쟁력

피처 크기 : 집적회로의 배선 폭, 배선간 간격이 줄어 들면 더 많은 배선을 배치할 수 있다.

1. 과거 마이크로 단위에서 현재 수 나노 단위로 제어가 되고 있다. 삼성전자에서 말하는 3나노, 5나노와 같은 공정 기술이 이 피처 크기를 의미한다.
2. 원자 몇 개 단위까지 제어하게 되었기에 무어의 법칙을 따르는 진보는 한계에 부딪혔다. (더 나아갈 수 있지만 기술 개발 속도가 2년에 2배가 되기는 어려울 것으로 전망된다.)
3. 극 미세 공정인 반도체는 기술 집약적 산업으로 세계적으로 소수의 업체끼리 경쟁할 수 밖에 없다.

컴퓨터 시장의 변화

• 80년대 컴퓨터와 현대 컴퓨터를 비교하면 엄청난 발전을 이루었다.
  • 4.77MHz프로세서에서 현재 2.2GHz 프로세서 코어에 2~4개가 장착된다.
  • 64KB RAM에서 8GB, 16GB RAM이 장착된다.
  • 단색 픽셀 화면에서 1600만 가지 색을 지원하는 고화질 모니터
  • 물가가 올랐어도 컴퓨터 하나의 가치는 과거 대비 훨씬 저렴해 지고 많이 보급되었다.

고든 무어

• 인텔 공동 창립자
• 1965 <직접회로에 더 많은 부품 집어넣기> 글 게재 적은 데이터 포인트를 기반으로 추정하면서, 기술이 향상됨에 따라 일정한 크기의 집적회로에 들어갈 수 있는 트랜지스터의 수가 매년 대략 2배 된다고 관측 수정 어떤 이들은 18개월마다 두배로 잡았다.
• 트랜지스터의 수는 컴퓨팅 성능을 간접적으로 나타내는 지표이며 적어도 2년마다 컴퓨팅 성능이 두 배로 증가한다는 것을 의미
• 20년이 지나면 두배로 증가하는 일이 10번 일어나므로, 부품의 수는 2배로 증가하게 되어 약 1,000배가 된다. 40년 후에는 100만배 이상

집적회로의 배선폭

• 회로선폭에 사용됨

나노미터

• 밀리(milli)sms 1,000분의 1, 10^-3
• 마이크로(micro) 100만 분의 1, 10^-6
• 나노(nano) 10억분의 1, 10^-9 나노미터(nanometer) nm 축약 표기
• 1980년 집적회로 3.5마이크로미터 선폭 사용 2021년 집적회로에서 최소 선폭은 7나노미터 7*10^-9(10억 분의 1)미터

집적회로의 선폭이 1,000배 줄어들면 주어진 영역에 들어가는 소자의 수는 그 제곱만큼, 즉 백만 배 늘어난다.

이 비율이 적용되면서 기존 기술로 트랜지스터 1,000개를 집적하던 것을 새로운 기술로 십억 개까지 집적할 수 있게 됨

집적회로의 설계와 제조는 극도로 정교한 기술, 필요한 사업, 경쟁 치열, 제조 공정(팹 라인) 비용 많이듬

무어의 법칙

• 자연의 법칙이 아니라 반도체 산업에서 목표를 설정하기 위한 일종의 가이드라인
• 기하급수적인 증가 양상은 거의 60년 동안 계속 진행됨
• 직접회로에 1965년에 비해 100만 배가 훨씬 넘는 트랜지스터가 들어있다.
• 프로세서 칩에 무어의 법칙이 작용함을 보여 주는 그래프를 보면, 트랜지스터 수가 1970년대 초 인텔 8008 프로세서에서 수천 개였던 것이 지금은 저가형 노트북 프로세서에서도 수십억 개로 늘어남

프로세서 속도는 예전만큼 빨리 증가하지 않고 더 이상 2년마다 두 배가 되지 않음

개별 코어의 실행 속도가 빨라지기보다는 장착 가능한 코어의 개수가 늘면서 성능이 향상됨

시간이 가면 갈수록 크기는 같아도 용량이 훨씬 크고 가격이 저렴한 메모리가 생겨나고 있고,

컴퓨터 부품 하나에 많은 회로가 조밀하게 배치되어 있기 때문에 예전보다 부품의 수가 더 적다.

컴퓨터 구조 - 논리 회로

• 디스크
• 집적회로 칩

• 웨이퍼

컴퓨터 전자회로 에서 가장 중요한 기본 소자

• 논리게이트 (Logic Gate) : 하나 또는 두 개의 입력값으로 단일 출력 값을 계산한다. 전압이나 전류같은 입력신호로 출력신호를 제어하는 방식으로 다양한 연산과 계산을 수행한다.

회로 소자의 가장 핵심적인 부분

트랜지스터 (transistor)

• 전압의 제어를 받아 전류를 키거나 끄는 장치인 스위치 역할을 수행 (0 또는 1)
• 증폭기 역할도 수행

예전에는 논리 게이트가 개별 부품으로 만들어졌으나,

요즘에는 논리게이트는 집적회로(IC, Integrated Circuits) 상에서 만들어진다.

집적회로(IC, Integrated Circuits)

• 디지털 전자 장치의 핵심요소
• 칩 또는 마이크로칩
• 복잡한 광학, 화학 공정을 통해 모든 소자와 배선이 단일 평면의 얇은 실리콘 판(집적회로) 위에 들어가도록 제조됨
• 개별 부품보다 훨씬 작고 견고하다.
• 원형 웨이퍼(wafer) 상에서 칩이 한꺼번에 제조되고 잘려서 각 칩이 되고 칩은 하나씩 패킹됨
• 프로세스가 중앙에 있고 수많은 핀이 있는 큰 패키지에 칩이 장착된다.

참고자료

• 무어의법칙, 집적회로, 트랜지스터

CS 하드웨어 - 무어의 법칙, 집적회로, 트랜지스터

• CS: 디지털 논리회로

스위치부터 집적회로까지

• 집적회로

[반도체 8대 공정] 3탄, 전자산업의 혁명! 집적회로

SD카드 :

컴퓨터의 전자 회로는 몇 가지 기본 소자가 매우 많이 모여 만들어진다. 가장 중요한 기본 소자로는 논리 게이트를 들 수 있다.

논리 게이트

• 1 or 2의 입력 값을 바탕으로 단일 출력 값을 계산해 낸다.
• 전압이나 전류 같은 입력 신호를 이용하여 전압이나 전류인 출력 신호를 제어한다.
• 이러한 게이트가 필요한 만큼 적절한 방식으로 연결되면 어떤 종류의 계산도 수행할 수 있다.
• 찰스 펫졸드 <<CODE>>
• 수많은 웹사이트에서 논리회로가 산술 연산과 여타 계산을 수행하는 방법을 그래픽 애니메이션으로 보여 준다.

회로 소자에서 가장 핵심적인 부분은 트랜지스터다.

트랜지스터

• 1947년 벨 연구소 - 존 바딘, 월터 블래튼, 월리엄 쇼클리 발명 1956년 노벨 물리학상을 공동 수상
• 컴퓨터에서 트랜지스터는 기본적으로 스위치 역할을 한다.

에니악 :

전구와 크기가 비슷한 진공관

• 1960년대 컴퓨터네서는 지우개 정도 크기의 트랜지스터로 논리 게이트가 만들어짐

논리 게이트는 집적회로상에서 만들어진다.

집적회로

• 칩, 마이크로칩
• 집적회로는 모든 소자와 배선이 단일 평면 위에 들어가 있으며, 개별 부품과 재래식 전선이 없는 회로를 만들기 위해 일련의 복잡한 광학적, 화학적 공정을 거쳐 제조된 것
• 직접회로는 개별 부품으로 만들어진 회로보다 훨씬 작고 견고 하다.
• 칩의 지름은 약 12인치(30cm)인 원형 웨이퍼상에서 한꺼번에 제조된다.
• 웨이퍼는 잘려서 각 칩으로 나뉘고, 칩은 하나씩 패키징된다.
• 일반적인칩은 시스템의 나머지 부분과 칩을 연결해 주는 수십에서 수백 개의 핀이 있는 더 큰 패키지에 장착된다.

집적회로가 실리콘 기반으로 만들어진다는 점에서 착안해서 집적회로 사압이 처음 시작되어 실리콘밸리라라고 붙임 실리콘밸리

• 모든 첨단 기술 회사를 일컫는 약칭
• 뉴욕에 있는 실리콘앨리나 영국 케임브리지에 있는 실리콘펜 같은 수십 곳의 추종 지역 탄생

집적회로

• 1958년경에 로버트 노이스와 잭 킬비가 독자적으로 발명 2000년 노벨 물리학상 공동 수상
• 디지털 전자 장치의 핵심 요소이지만 다른 기술도 함께 사용됨

보조 기억 장치(secondary storage)

전원이 꺼져 있을 때도 정보를 유지

보조 기억 장치는 크게 두 종류

공통적인 특징

• 메모리보다 많은 정보를 저장
• 휘발성을 띠지 않아 드라이브에 저장된 정보는 전력 공급이 없더라도 유지
• 데이터, 명령어, 다른 모든 정보는 보조 기억 장치에 장기간 저장되고, 주 기억 장치로는 일시적으로만 옮겨짐

1. HDD

자기 디스크는 회전하는 금속 표면에 있는 자성 물질의 미세한 영역이 나 있는 트랙에 저장 디스크는 트랙 간에 이동하는 센서를 이용하여 데이터를 읽고 씀

디스크 표면은 고속으로 분당 5,400회 이상 회전

디스크는 용량 면에서 RAM보다 바이트당 100배 정도 저렴하지만, 정보에 접근하는 속도는 더 느림 디스크 드라이브가 금속 표면의 특정 트랙에 접근하는 데는 약 100분의 1초(RAM과 비교하기) 접근하고 나면 데이터는 초당 약 100MB의 속도로 전송

2. SSD(Solid State Drive)

SSD는 회전하는 기계 장치 대신 플래시 메모리(flash memory)를 사용

플래시 메모리는 비휘발성 전원이 꺼져 있어도 개별 소자에 전하(charge)를 유지하는 회로에 정보가 전하 형태로 저장 저장된 전하를 읽어 값이 무엇인지 확인할 수 있고, 삭제하고 새 값으로 덮어 쓸 수도 있음

플래시 메모리는 기존의 디스크 저장 장치보다 더 빠르고 가볍고 안정적 떨어뜨려도 고장이 덜 나고, 전력을 더 적게 사용하므로 휴대용 전자 기기에도 많이 사용 되는 편

점차 가격이 낮아지고 있어 노트북에서는 SSD가 자기 디스크를 거의 대체한 상태

플래시 메모리가 왜 더 빠른지 플래시 메모리 내부가 어떻게 돌아가는지

USB 소켓으로 연결 가능한 외장 드라이브는 용량이 TB 단위이며, 아직 회전하는 기계 장치를 기반

Tera : 1조. 즉, $10^{12}$

1바이트는 일반적으로 알파벳 문자 한 개를 저장 68만 개 문자로 이루어져 있는 책의 사본을 1GB로는 거의 1,500개 정도 담을 수 있음

MP3 포맷으로 된 음악은 보통 분당 1MB 정도 1GB로는 거의 15시간 분량의 음악을 저장할 수 있음

드라이브는 컴퓨터의 논리적 구조와 물리적 구현 간의 차이를 보여 주는 좋은 예

• 윈도우의 파일 탐색기나 맥OS의 파인더 같은 프로그램은 드라이브의 내용을 폴더와 파일의 계층 구조로 표시 ⇒ 논리적 구조
• 데이터는 회전하는 기계 장치, 움직이는 부품이 없는 직접회로 또는 완전히 다른 형태의 장치에 저장 ⇒ 물리적 구현

컴퓨터에 장착된 드라이브(어떤 종류든)라는 하드웨어와 운영체제의 소프트웨어인 파일 시스템이 합작하여 조직화된 구조를 만들어 냄

컴퓨팅 곳곳에 스며들어 있는 아이디어인 추상화(abstraction)

추상화는 물리적인 구현의 세부 사항을 숨김

ex. 파일 시스템이 다양한 기술의 물리적 작동 방식(HDD나 SSD, 또는 CD-ROM과 DVD 조차도)과 관계없이 그 내용을 사용자에게 파일과 폴더의 계층 구조로 보여주는 것

다른 장치들

흔히 아는 입력 장치, 출력 장치를 제외하고도 네트워크 구성 요소(Wi-Fi, Bluetooth 등)나, 시각과 청각 같은 다른 면에서 접근성 문제를 겪는 사용자를 위한 다양한 보조 장치도 존재

이런 장치들은 2로그에서 나왔던 것처럼 버스로 연결되어 있다.

버스 : 컴퓨터 안의 부품들 간에, 컴퓨터 간에 데이터와 정보를 전송하는 통로(통신 시스템)

버스라는 용어는 전기 공학에서 빌려 온 것 실제로 컴퓨터 내부에 여러 가지 버스가 있고, 각각 그 기능에 적합한 속성이 있다.

프로세서와 메모리 사이를 연결하는 버스는 짧고 빠르지만 비싸고, 헤드폰 잭에 연결되는 버스는 길고 느리지만 저렴하다.

이런 내부에 버스 말고 외부에 드러나 있는 버스도 있다. ex. 컴퓨터 장치에 연결하기 위해 어디서나 사용되는 USB(Universal Serial Bus), 범용 직렬 버스

장치에 대한 추가적인 것은 뒤에서 나중에 더 자세히 다룬다고 나와 있음

모든 장치는 프로세서, 메모리, 디스크 드라이브와 동일한 진화 과정을 거쳤다. 가격은 낮아지고, 더 작은 패키지에 더 많은 기능을 제공하는 방향으로

이러한 장치들이 어떻게 단일 기기로 합쳐지고 있는지에도 주목해야 한다.