비트를 처리하기 위한 하드웨어

릴레이 

덴마크 과학자 한스 크리스티안 선을 둥글게 감아서 코일로 만들고 전기를 흘려보내면 코일이 전자석이 된다 전자석은 켜고 끌 수 있기 때문에 물건을 움직일 때 활용할 수 있다.

ex) 전자석을 사용해 밸브를 제어할 수 있는데 전기로 움직이는 자동 스프링쿨러 시스템은 이런식으로 작동한다.

전자기를 사용해 모터를 만드는 방법이 여러가지 있는데 선으로 만든 코일 주변에서 자석을 움직이면 전기가 생긴다. 발전기는 이런식으로 작동! 사실 현재 우리가 사용하는 전기의 대부분은 이런식으로 얻어진다

릴레이는 스위치를 움직이기 위해 전자석을 이용하는 장치다

스위치가 열려 있으면 평상시 열린 릴레이 닫혀 있는 릴레이는 닫힌 릴레이 맨 아래의 두 접점은 선으로 만든 코일로 이어진다.

 

릴레이는 느리고 전기를 많이 소모하며, 먼지가 스위치 접점에 있으면 제대로 작동하지 않는다는 큰 문제가 있다. 실제로 미국 컴퓨터 과학자가 오류를 추적하다가 릴레이에 낀 나방을 발견하면서 버그라는 단어가 유명해졌다. 전기를 끄면 순간적으로 초고압이 발생하여 공기에서도 전기가 통한다. 접점이 점점 마모되기 때문에 기계적인 부품이 들어 있지 않는 다른 물건을 찾기 시작했다.

 

진공관 

진공관은 진공 속에서 금속이 가열될 때 전자가 방출되는 열전자방출 현상(에디슨 효과)을 통해 방출된 전자를 전기장으로 제어하여 정류(한쪽 방향으로만 전자가 움직이도록 하는 것), 증폭(전자가 더 빨리 움직여서 전류 흐름을 증가시키는 것)등의 특성을 갖도록 금속 부품과 회로가 들어간 유리관 부품이다.

 

영국의 물리학자 전기 엔지니어인 존 앰브로즈 플레밍 경이 진공관을 발견했다. 물체를 충분히 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출이라는 현상을 기반으로 진공관을 만들었다. 진공관 안에는 야구 투수 같은 역할을 하는 캐소드와 캐소드를 가열하는 히터가 있다. 캐소드에서 발생한 전자는 진공속에서 애노드(포수같은 역할)로 날아간다. 전자는 자석과 비슷한 성질을 몇 가지 띠는데, 서로 당기고 밀어내는 성질이 있다. 진공관에 타자 같은 역할을 하는 요소는 그리드 세요소 (캐소드, 그리드, 애노드)를 진공관을 삼극관이라 부른다.

 

장점은 움직이는 부분이 없어서 릴레이보다는 빠르다 단점은 뜨겁고 깨지기 쉽다는 점이다. 하지만 진공튜브도 릴레이에 비하면 안정적이다.

 

트랜지스터

최근에는 트랜지스터가 왕! 전송 저항 transfer resister이라는 말을 줄인 트랜지스터는 진공관과 비슷하지만 반도체라는 특별한 물질을 사용한다. 반도체는 도체와 부도체를 오갈 수 있는 물질이다. 반도체는 쉽게 녹을 수 있어서 트랜지스터에서 열을 제거하는 일은 중요한 문제이다.

 

반도체가 발달한 이유는? 멀리 있는 사람과 어떻게 하면 얘기를 할 수 있을까? 라는 고민에서 시작 되었다고 한다.

 

가장 중요한 내용은 트랜지스터가 반도체 물질로 이뤄진 기판 또는 슬랩 위에 만들어진다는 점이다. 보통은 실리콘이 기판 재료로 쓰인다. 트랜지스터는 트랜지스터 그림을 실리콘 웨이퍼 위에 투영해서 현상하는 광식각이란느 과정을 통해 만들어진다. 한 실리콘 웨이퍼 기관 위에 수많은 트랜지스터를 투영해 현상한 후 개별적인 부품으로 잘라낼 수 있기 때문에 대량 생산에 적합하다.

 

트랜지스터는 실리콘을 베이스로 하고, 불순물을 첨가하여 잉여 전자를 발생시키거나(n형), 전자가 들어갈 수 있는 잉여 공간을 만들어(p형) 이를 접합한 구조로 만든다. p형과 n형을 접합하고(pn) 전압을 걸어주면 잉여전자가 빈공간으로 이동하므로 전류는 한 방향으로만 흐르게 된다(다이오드의 원리). 그런데 pnp, npn처럼 세 개의 층을 만들어 접합하면 하나는 (+) 전압을 증폭할 수 있고 다른 하나는 (-) 전압을 증폭할 수 있게 된다.

 

반도체 원리!

 

실리콘에 흐르는 전기, 스위치로 '고·스톱'

수많은 전자회로를 집적한 반도체 칩은 실리콘에 불순물을 넣은 뒤 게이트에 전기를 흘렸다 멈췄다 하며 작동한다.
모든 숫자를 ‘0’과 ‘1’ 2진수로 표현하는 컴퓨터처럼 반도체도 연결(ON)되면 1, 단절(OFF)되면 0으로 해 기억장치와 연산장치 등의 집적회로(IC·Integrated circuit)를 가동한다. 그 스위치 역할을 하는 게 트랜지스터다.

 

지난 1947년 미국 벨연구소의 윌리엄 쇼클리 박사가 반도체에 전자를 작용시켜 전기 흐름을 조절하는 트랜지스터를 개발하며 반도체가 유래됐다. 당시에는 실리콘이 아닌 게르마늄을 이용했다. 반도체 윗부분에 게이트를 붙이고 전기선을 연결해 전기를 통하게 하면 전하가 생기고 떼면 그 반대인 원리를 이용했다. 게이트에 전기를 연결하면 (+)전하가 생성돼 반도체에서 (-)를 끌어당겨 게이트 가까운 곳에 (-)전하가 모이고 이 (-)전하를 흐르게 해 전류를 만든다.

 

스위치 연결과 단절을 통해 정보를 ‘0’과 ‘1’의 디지털 신호로 바꿔 기억·저장하는 게 메모리반도체이고 그것을 바꿔 제어·연산·변환해 정보를 처리하는 것이 비메모리반도체(프로세서 반도체, 시스템반도체)이다. 컴퓨터를 예로 들면 기억장치인 램(RAM)은 데이터를 저장하는 메모리반도체이고 두뇌 역할인 중앙처리장치(CPU)는 비메모리반도체다. 반도체는 손톱 크기의 칩에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣느냐의 경쟁이다.

직접회로

트랜지스터를 사용하면서 더 작고, 빠리고 신뢰할 수 있는 논리회로를 만들게 되었다. 하지만 트랜지스터는 AND 함수 같은 간단한 회로를 만들 때조차도 부품이 많이 필요하다. 그래서 나온게 직접 회로! 직접회로를 사용하면 복잡한 시스템을 트랜지스터 하나를 만드는 비용으로 만들 수 있다. 생긴 모양 때문에 칩이라고 불렸다.