CPU 발전사 - 진공관에서 트랜지스터, 현대의 CPU

 

CPU의 역사

진공관부터 트랜지스터, 현대의 CPU.

CPU의 역사를 알기 위해 먼저 최초의 컴퓨터에 대해 알아보겠습니다.

최초의 컴퓨터인 에니악(ENIAC)은 엄청난 덩치에, 프로그램을 바꾸려면 6,000개에 이르는 배선 조합을 변경해야 하는 무지막지한 기계였습니다. 에니악은 “최초의 컴퓨터”라는 명예로운 칭호를 갖고 있긴 하지만, 그 구조는 현대의 컴퓨터와는 차이가 있었습니다.

* 세계 최초의 컴퓨터인 ENIAC으로 요즘의 컴퓨터와는 달리 건물을 점유할 정도로 엄청난 부피를 자랑한다.

 

* 최초의 네 컴퓨터별 부품의 크기를 보여주는 사진. 왼쪽부터 ENIAC 기판, EDVAC 기판, ORDVAC 기판, BRLESC-I 기판이다. ENIAC에 비하면 BRLESC-I의 기판은 그야말로 초미니 기판인 셈이며. 이런 크기는 최초의 컴퓨터인 에니악(ENIAC)이 진공관을 사용해 만들어 졌기 때문입니다.

이런 진공관의 크기로 인해 회로는 집적될 수 없었으며 성능의 발전에도 문제가 있었습니다. 뿐만 아니라 에니악은 구조 자체가 현대의 컴퓨터와는 달랐습니다.

현대 컴퓨터의 구조를 최초로 정의한 것은 존 폰 노이만의 에드박(EDVAC : 1949년)입니다.

폰 노이만은 에드박의 구조를 크게 세 부분으로 나누어 구성했습니다. 정보를 외부로부터 받아들이고 다시 외부에 표시하는 입출력 장치(모니터, 프린터), 정보의 기억을 담당하는 기억 장치(메모리, 하드디스크), 그리고 정보의 처리를 담당하는 CPU입니다.

 “폰 노이만 구조(Von Neumann Architecture)”라고 일컬어지는 이 구조는 오늘날 개인용 컴퓨터, 대형 컴퓨터, 휴대폰, PDA 등 모든 컴퓨터에 그대로 사용하고 있습니다.

컴퓨터 본체를 뜯어 보시면 CPU가 어떻게 생겼는지 알 수 있는데 우리가 사용하는 개인용 컴퓨터(Personal Computer)에 들어 있는 CPU는 손바닥 반만 한 크기의 납작한 사각형 실리콘 덩어리에 가느다란 금속 발이 수백 개 달려있는 ‘칩(Chip)’입니다.

최초의 CPU는 앞에 보신 에니악(ENIAC)의 모습처럼 오늘날처럼 칩 형태가 아닌, 진공관과 전선으로 구성된 커다란 상자 같은 모습이었습니다. 생긴 것이 투박하긴 했지만, 자신이 해야 할 일을 수행하는 데엔 별 문제가 없었습니다.

그러면 진공관을 한번 보겠습니다.

1906년 미국인 발명가 드 포레스트가 개발한 최초의 삼극진공관 ‘오디온’

1906년 미국인 발명가 리 드 포레스트(Lee de Forest)는 라디오파를 검출하는 수신 장치로 쓸 수도 있고 전자파를 증폭하는 증폭기로도 쓸 수 있는 ‘오디온’ 개발에 성공했습니다. 필라멘트와 플레이트, 그리고 그리드로 구성되어 삼극 진공관이라 불리는 오디온의 발명으로 인류는 처음으로 기계적인 조작 없이 전류의 흐름을 통제할 수 있게 되었는데,

일정한 주파수로 들어오는 교류는 오디온을 통과하면서 한 방향의 직류로 ‘정류’가 되었습니다. 이 간단한 정류 장치는

사실 전류의 흐름에 관계하던 전화, 전신 등에 모두 이용할 수 있는 핵심부품으로, 전자공학의 시대의 개막을 알리는 서곡이었습니다.

 드 포레스트가 개발한 라디오 전화로 전송품질이 좋지 않아 상업화에는 실패했다.

포레스트의 라디오 전화는 전송되는 음악이 중간에 끊기기 일쑤였고 음질이 깨끗하지도 않아, 상업적인 성공을 거두지는 못했습니다. 결국 방송 실험은 라디오폰의 기술적인 결함으로 인해 실패하고 말았고, 포레스트의 회사 Radio Telephone & Telegraph Company도 파산에 이르고야 말았다. 하지만 1914년에 AT&T 사에서 포레스트 오디온에 대한 특허권을 획득하여, 이를 장거리 전화에 사용하기 시작했고 이는 트랜지스터 발명으로 이어지게 되었습니다.

1947년의 어느겨 울, 벨 연구소의 세 명의 물리학자, 윌리엄 쇼클리(William Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(WalterBrattain)에 의해 트랜지스터가 발명되었습니다.   

 당시 레이더용 다이오드를 개발도중 발견된 트랜지스터를 기념하기 위하여 만든 모형과 현재 우리가 볼 수 있는 트랜지스터

 1956년 트랜지스터를 개발한 공로로 노벨상을 수상한 쇼클리와 바딘, 그리고 브래튼.

 

트랜지스터는 진공관과 같은 기능을 하지만 크기는 훨씬 작고 전력 소비량도 진공관의 1/20에 지나지 않아, 전자업계에서 아주 빠르게 진공관의 자리를 빼앗아 나갔습니다.

진공관 라디오, 진공관 텔레비전 등은 모두 트랜지스터 라디오, 트랜지스터 텔레비전 등으로 바뀌었고 컴퓨터 역시 예외는 아니었습니다.

1955년에 벨 연구소에서 최초의 트랜지스터 기반의 컴퓨터 트래딕 (TRADIC:

TRansistorized Airborne DIgital Computer)을 개발했습니다.

트래딕은 성능자체는 에니악과 비슷했지만, 트랜지스터를 사용했다는 것만으로도 엄청난 차이를 보여주었습니다. 에니악이 17,000개가 넘는 진공관을 사용했던 데 반해, 트래딕은 단지 800개의 트랜지스터만을 사용했고, 그 결과 크기는 300분의 1로, 전력소비량은 1,500분의 1 수준으로 낮아졌습니다. 트랜지스터가 발명된 후 컴퓨터의 성능은 엄청나게 발전했습니다.

 

트랜지스터는 흔히 인류의 전자공학 시대의 연 주인공이라고 일컬어집니다. 그렇기에 트랜지스터가 도대체 어떤 기능을 하길래 그런 평가를 받는지 알아보겠습니다.

트랜지스터가 처음 등장했을 때 가장 많이 쓰인 기기는 바로 라디오였습니다. 그래서 라디오를 예로 들어 트랜지스터의 역할을 이해해 보겠습니다.

트랜지스터의 가장 큰 기능은 바로 증폭작용입니다. 트랜지스터는 공중을 통해 전해진 매우 미약한 전파신호의 강약을 확대(증폭)하여 스피커를 울립니다. 안테나로 수신된 전파신호가 전류로 바뀌면, 입력 신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 확대하는 것입니다.

그 원리를 수도에서 나오는 물에 비유해 보면. 트랜지스터에는 이미터, 베이스, 콜렉터라고 부르는 3개의 다리가 있습니다. 이 3개의 다리를 수도에 비유해 보면,

베이스는 수도벨브, 콜렉터는 수도꼭지, 그리고 이미터는 배관이라고 할 수 있습니다.

만약 배관인(이미터)을 통해 수압(전류)이 약하게 물이 들어오면, 수도 벨브(베이스)를 조절해 수도꼭지(콜렉터)에서 뿜어 나오는 물의 양을 조절할 수 있습니다.

이런 증폭 작용으로 소리정보를 싣고 들어온 약한 전류 신호를 크게 증폭해 스피커에서 큰 소리로 재생하게 됩니다.

만약 이 수도꼭지에서 나오는 물을 아예 잠그거나 최대로 여는 일만 허용한다면 이 수도 벨브는 스위치 역할을 할 수 있을 것입니다. 중요한 것은 수도꼭지를 기계적으로 제어하는 것이 아니라 전자적으로 조절할 수 있다는 사실입니다.

컴퓨터 등에서 사용되는 디지털 신호의 경우, 트랜지스터는 0과 1을 전환하는 스위치의 역할을 하여, 2진법의 정보를 처리할 수 있게 됩니다. 그렇기에 집적회로(IC)는 수많은 트랜지스터들의 집합이 되었습니다.

현대의 최신 트랜지스터 - 기존 딱딱한 형태에서 쉬어지는 형태로 발전했다

삼극 진공관을 대체한 트랜지스터는 극소 전자혁명의 기초를 마련한 것이었으나 처음 세상에 나왔을 때 사람들은 이것의 의미를 알지 못했습니다. 1948년 6월 26일에 벨연구소에서 트랜지스터에 대한 기자회견을 했으나 이 기사는 6월 30일에 뉴욕타임스의 6줄 단신기사로 등장했을 뿐이었습니다. 하지만 이 작은 소자는 지금까지 유리로 만든 진공관이 교류를 직류로 만들고, 전파를 걸려내 수신하고, 그 수신된 전파를 증폭해 소리나 영상으로 전환하던 기능을 대신할 하게 되었습니다.

현재 이 작은 소자가 컴퓨터, 라디오, 텔레비전과 가전제품의 발달을 낳으며 현대 문명 혁신을 가져왔다는 사실을 부인할 사람은 아무도 없으며. IT 산업계의 황제라는 마이크로소프트의 빌게이츠는 "타임머신이 발명된다면 가장 가보고 싶은 과거"로 트랜지스터가 개발된 순간을 꼽기도 했습니다.

진공관에서 시작한 전자공학의 혁명은 트랜지스터와 초고밀도 집적회로의 발명으로 이어졌으며, 최근에는 지금까지 실리콘 기반의 반도체 기술로는 불가능하다고 여겼던 단일 분자를 이용한 분자 트랜지스터를 개발할 수 있는 수준에 이르렀다고 합니다.

컴퓨터는 신기할 정도로 빨리 발전한 분야입니다. 트랜지스터가 발명된 지 몇 년도 되지 않아서 수백 개의 트랜지스터를 하나의 조그마한 칩에 모아 넣는 기술이 발명되었는데 이것이 바로 IC 입니다.

1958년, 텍사스 인스트루먼트사의 잭 킬비(Jack Kilby)가 마이크로칩(Microchip)이라 불리는 집적회로(IC:Integrated Circuit)를 발명했습니다. 집적회로는 트랜지스터가 그랬던 것처럼, 컴퓨터의 역사를 또 한 번 빠르게 변화시켰습니다.

수백 개의 트랜지스터를 일일이 조립할 필요 없이, 집적회로는 하나의 칩에 수백 개의 트랜지스터 회로를 한번에 모아 넣는 방식으로(오늘날에는 수백만 개를 집적한다) 생산했기 때문에 가격이 더 저렴했습니다.

컴퓨터 업체들은 이 새로운 기술을 컴퓨터를 개선하는 데 사용했는데 수천 개의 트랜지스터를 집적한 집적 회로를 조합하여 CPU를 만들었습니다.