전자 컴퓨팅

이 글은 Crash Course의 Computer Science를 보고 정리한 글입니다.

20세기 초반 이후 사회 시스템의 규모는 예측 불가능할 정도로 계속 커졌다.

20세기 중반 인구수는 초반에 비해 대략 2배가 늘었고, 세계 무역 및 운송 네트워크는 서로 연결되었으며, 우리의 기술과 과학 수준이 더 높은 안목을 갖기 시작했고, 다른 행성을 탐험하는 것을 진지하게 고려하면서 복잡성, 관료주의 등 데이터의 폭발적인 증가로 집합 자동화와 계산의 필요성을 증가시켰다.

 

가장 크기가 큰 전기식 기계 컴퓨터들 중 하나는 1944년 2차 세계 대전 중 IBM이 동맹군을 위해 개발한 Harvard Mark1 이었다. 이 컴퓨터는 코일을 이용한 계전기로 작동하는 데, 계전기 안에 있는 기계식 스위치는 무거워서 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 즉시 이동할 수 없었다. 1940년대의 성능이 좋은 계전기는 1초에 50번 앞뒤로 왔다갔다 할 수 있었다.

 

Harvard Mark1 은 1초당 3개의 덧셈이나 뺄셈을 할 수 있었고, 곱셈은 6초가 걸렸고, 나눗셈은 15초가 걸렸다. 그리고 삼각함수와 같이 더 복잡한 계산은 1분이 넘게 걸렸다. 또한 계전기는 마모라는 한계가 있었고, 계전기가 늘어날수록 실패 확률이 커졌다. 그리고 이 크고, 어둡고, 따뜻한 기계는 곤충을 끌어들였다.

 

1947년 11월, Harvard Mark2의 운영자는 고장난 계전기에서 죽은 나방을 꺼냈고, Grace Hopper는 그때부터 컴퓨터에 문제가 생기면 '버그가 있다'라고 말하게 되었다. 컴퓨터 버그라는 말은 이렇게 탄생하였다.

 

컴퓨팅이 더 발전하기 위해서는 전기 기계식 릴레이보다 더 빠르고 신뢰할 수 있는 대안이 필요했다. 다행히 대안은 존재했다. 1904년 영국 물리학자인 John Amborse Fleming이 개발한 새로운 전기 구성 요소로, 열 이온 밸브(Thermionic Valve)라는 것으로 밀폐된 유리 전구 안에 두 개의 전극을 가둔 것으로 최초의 진공관이다.

 

열 이온 밸브는 열 이온 방출(Thermionic Emission)과정으로 하나의 전극이 가열되면 전자를 방출했고, 다른 전극은 이 전자를 끌어당길 수 있다. 이것으로 전기의 흐름을 만들지만 진공관이 양극으로 충전된 상태에서만 가능했다.

 

1906년에 미국인 발명가인 Lee de Forest는 플레밍이 고안해낸 두 개의 전극 사이에 세 번째 제어 전극을 추가하여 제어 전극에 양전하를 더하면서 진공관에 전류를 흐를 수 있도록 하고, 제어 전극에 음전하가 주어지면 전자의 흐름을 막았다. 제어선을 조작하여, 회로를 열거나 닫을 수 있게 하였다. 특히 진공관은 움직이는 부분이 없어 마모가 적었고, 1초에 수천번을 전환할 수 있었다. 이 3극 진공관(Triode Vacuum Tubes)은 거의 반세기 동안 많은 전기 기계들의 기본이 되었다.

 

 하지만 진공관은 부서지기 쉬웠고, 전구처럼 고장이 났다. 또한 진공관은 매우 비쌌다. 1940년대가 되어서야 진공관의 비용과 신뢰성이 상당히 나아져 컴퓨터에 사용할만 해졌다. 이것은 전자 기계식 컴퓨팅에서 전자식 컴퓨팅으로의 전환을 의미한다.

 

최초로 진공관이 큰 규모의 컴퓨팅에 사용된 것은 Tommy Flowers라는 기술자가 개발한 Colossus MK1이었다. 이것은 1943년 12월에 완성되었고, 영국에 있는 브레들리 공원에 설치되어 나치 통신을 해독했다. Colossus는 최초로 프로그래밍이 가능한 전자 컴퓨터로 여겨진다. 당시 프로그래밍은 일종의 플로그 보드에 수백 개의 선을 꽂으면서 진행됐다. 따라서 기계 하나가 프로그래밍이 가능하면서도 특정한 계산을 수행할 수 있도록 구성되었다.

 

 The Electronic Numerical Intergrator and Calculator(ENIAC;애니악)은 몇 년 후인 1946년에 펜실베이니아 대학에서 완성되었다. John Mauchly와 J. Presper Eckert에 의해서 고안된 이 컴퓨터는 세계 최초의 진정한 범용으로 프로그래밍이 가능한 전자식 컴퓨터이다. 그러나 애니악은 많은 진공관의 고장으로 일반적으로 한 번에 약 반나절 동안 작동이 중지되곤 하였다.

 

1950년대에는 진공관으로 설계된 컴퓨팅조차 한계에 다다랐다. 속도와 안정성을 개선하고, 가격과 크기를 줄이기 위해 급진적인 전자 스위치가 필요했다. 1947년 벨 연구소 과학자 John Bardeen과 Walter Brattain, William Shokley는 놀랍게도 트랜지스터를 발명했고, 이로 인해 컴퓨팅의 새로운 시대가 탄생했다.

 

 트랜지스터는 반도체로 이것의 물리학은 양자 역학에 의존하기 때문에 매우 복잡하다. 간단하게 진공관처럼 제어 전극을 통해 전기의 흐름을 제어할 수 있다. 처음 개발되었을 때부터 트랜지스터 1초에 만 번이나 스위치를 끄고 켤 수 있었고, 깨지기 쉬운 진공관과 달리 트랜지스터는 고체 상태의 고형물질(Solid State Component)로 만들어졌다.

 

 1957년 출시된 IBM 608은 최초의 완전히 트랜지스터로 가동하여 상용으로 쓸 수 있는 컴퓨터이다. 1초당 4500회의 덧셈과 대략 80개의 곱셈 또는 나눗셈을 할 수 있었다.

 

 오늘날의 컴퓨터는 50 나노미터 크기보다 작은 트랜지스터를 사용한다. (참고로, 한 장의 종이는 대략 10만 나노미터 두께이다.) 이 트랜지스터는 작을 뿐만 아니라 1초에 수백만 번 상태를 전환하고 수십 년 동안 작동할 수 있다.

 

 많은 트랜지스터와 반도체들의 개발이 캘리포니아의 샌프란시스코와 샌조스 사이의 Santa Clara Valley에서 이루어졌고 일반적으로 반도체를 만드는 데에 실리콘(Silicon)을 사용했고, 곧 이 지역은 실리콘 밸리(Sillicon Valley)라고 알려지게 됐다.

 

 트랜지스터를 개발해낸 William Shockley도 실리콘 밸리에 Shockley Semiconductor를 세우고, 그 직원들은 Fairchilde Semicondctors을 창업하고, 또 그 직원들은 나중에 인텔(Intel)을 설립했다.