폰노이만 아키텍처, 범용 컴퓨터 정리

 반도체 소자의 발전은 컴퓨터의 발명에 의해 큰 영향을 받았습니다.

 그전까지는 단순히 계산만을 수행하는 역할을 하였다면, 컴퓨터는 계산기와 다르게 사람들의 요구에 맞춰 다양한 업무를 수행해야 하므로 반도체 소자가 발전해야 하는 이유를 만들어 준 것입니다

 

 

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범용 컴퓨터의 탄생

 정해진 작업만 수행할 수 있는 ENIAC 이 있었으나, ENIAC 은 정해진 작업을 진행하다가 다른 작업을 수행하기 위해서는 논리회로의 구성을 바꾸는 작업이 있어야만 했고, 논리회로의 구성을 바꾸기 위해서는 소자를 연결하고 있는 배선들을 원하는 구성에 맞게 다시 연결하는 작업이 필요했습니다. 

 이런 배선을 다시 연결하는 작업은 많은 공수가 들어가기 때문에 소프트웨어로 이런 번거로움을 해결하려는 연구와 개발이 많이 진행되었습니다.

 

 이렇게 하드웨어적으로 구성을 바꾸지 않고 소프트웨어로 해결하여 다른 작업을 할 수 있는 컴퓨터를 범용 컴퓨터라고 부릅니다.

 

 범용컴퓨터는 '폰노이만 아키텍처 하는 범용 컴퓨터의 구조를 제안한 폰노이만에 의해 만들어지게 된 것이라고 해도 과언이 아닙니다.

 

 컴퓨터 시스템을 처음 만들던 시절에는 컴퓨터를 어떤 형태로 만들어야 할지를 많은 전문가의 의견이 분분하였는데, 폰노이만이 본인이 제안했던 폰노이만 아키텍처를 바탕으로 컴퓨터를 만들도록 감독하면서 폰노이만 아키텍처가 현재까지 사용하되 된 것입니다.

 폰노이만 아키텍터의 제안 시점은 1945년으로, 이후에 나온 컴퓨터들은 거의 모든 컴퓨터가 폰노이만 아키텍처를 기본구조로 사용하였고, 현재도 범용 컴퓨터의 표준 구조로 활용되고 있습니다.
 

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폰노이만 아키텍처

 폰노이만 아키텍처의 구조에 대해 간단히 설명해 보겠습니다.

 

 폰노이만 아키텍처는 CPU와 메모리로 나누어져 있습니다.

 

 여기서 메모리에는 저장공간으로 명령어와 데이터를 저장하고 있습니다.

 

 CPU는 컴퓨터를 통제하면서 프로그램을 실행하고 처리하는 장치로써 명령어를 해석한 뒤 연산을 진행하고 그 결과를 출력하는 역할을 하기 때문에 컴퓨터의 작동은 모두 CPU에 의해 제어된다고 할 수 있습니다.

 

 명령어를 해석하고 연산해야 하므로 CPU는 논리소자로 구성되고 있어 많은 스위치 소자의 결합으로 이뤄져 있습니다.

 

 CPU는 메모리에 저장된 프로그램들을 불러와서 실행하는 방식으로 진행되기 때문에 메모리에 저장된 프로그램만 바꿔주면 하드웨어의 변경 없이도 다른 작업을 할 수 있게 됩니다.

 

 다시 한번 설명하면 CPU는 메모리의 Data를 꺼내서 해독하고 실행하는 동작을 수행한 뒤 그 결괏값을 다시 메모리에 저장하거나 다음 명령어에 사용하는 것입니다.

 

스마트폰을 일반적으로 사용하는 현재의 시점에서는 폰노이만 아키텍처의 CPU와 메모리의 구성과 역할이 너무나도 당연한 일이라고 생각할 수 있지만, 최초로 컴퓨터를 만들던 시점에는 폰노이만 아키텍처뿐 아니라 명령어를 저장하는 메모리와 데이터를 저장하는 메모리를 분리해서 속도를 높였던 하버드 아키텍처 등의 다른 아키텍처들 과도 경쟁을 벌였었습니다.

 

 결과적으로 하버드 아키텍처는 메모리 분리를 위해 전기회로가 많이 필요하고 복잡하였기 때문에 폰노이만 아키텍처와의 경쟁에서 밀리게 되었고 폰노이만 아키텍처가 컴퓨터의 기본 구조로 채택된 것입니다.

 폰노이만 아키텍처가 컴퓨터의 기본구조로 결정된 후 개발자들의 목표는 간결하게 정해졌습니다.

 

 CPU는 제어와 연산을 빠르게 할 수 있도록 만들고, 메모리는 많은 DATA를 저장하고 쓰고 읽기 위해 크고 속도가 빠른 메모리를 만드는 것이 목표가 된 것입니다.

 

폰노이만 아키텍처

 

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메모리

 메모리는 Data를 저장하고 불러오는 장치입니다.

 

 메모리에는 Data를 2진수로 바꾸어 0과 1의 상태를 이용하여 저장하고 있습니다. 0과 1만 명확히 구분할 수 있다면 메모리가 될 수 있는 것입니다.

 

 지금은 반도체 소자를 사용한 메모리가 일반적으로 사용되고 있기 때문에 메모리는 반도체 소자로 만든 것이라고 생각할 수 있지만 초기에 사용된 메모리는 상상도 하기 힘들 든 방법으로 만들어졌습니다.

 

 수은으로 채워진 튜브와 소리 파장을 이용한 '수은 지연 메모리', 전자를 한쪽 벽에 부딪히게 한 후 반대편의 변화를 이용하는 '셀렉트론 관'이나 '윌리엄 관' 메모리 등이 있었으며, 전기 케이블에 전류를 흘려 발생하는 자기 유도를 이용한 '자기 코어 메모리'도 있었습니다.

 

 자기 코어 메모리는 이전에 사용되던 메모리와 다르게 전기를 끊더라도 데이터가 날아가지 않는 비 휘발성 메모리였습니다. 또한 자성체 고리 코어를 많이 만들어 넣으면 넣을수록 용량도 높일 수 있었습니다.

 

 비휘발성이고, 용량도 늘릴 수 있다는 장점 때문에 이 자기 코어 메모리는 1970년대까지 가장 보편적으로 사용되었습니다.

 

 우리가 지금 흔히 알고 있는 반도체 소자를 사용한 메모리는 1961년에 처음 개발되었습니다.

 

 개발될 당시에는 bipolar 트랜지스터를 사용하였고, 그렇기 때문에 메모리의 크기를 작게 만드는 데 어려움이 있었습니다. 또한 전기가 없으면 Data가 지워졌기 때문에 비휘발성인 자기 코어 메모리에 비해 장점이 많지 않았습니다.

 

 다만 반도체 소자를 사용한 메모리가 집적회로 형태로 발전하면서 다시 주목받게 되었고, 소자 미세화가 되면서 자기 코어 메모리를 가격 경쟁력에서 앞서게 되면서, 지금 일반적으로 사용하고 있는 반도체 메모리가 상용화 되게 된 것입니다.

 반도체 메모리도 동일 면적에 많은 Data를 저장하기 위한 소자 미세화가 지속해서 진행되고 있고, 면적을 줄이는 데 한계를 느낀 메모리 반도체 업체들은 위로 쌓아 올리는 V-NAND 형태로 개발 및 양산하고 있습니다.

 

MOSFET, 무어의 법칙과 강대원 박사