하드웨어의 이해

#컴퓨터의 기본 단위

물리학과를 전공한 저에게 리처드 파인만이라는 물리학자는 정말 멋지고 존경스러운 인물입니다. 그런 그가 후세에 꼭 남겨야할 과학지식 한마디를 얘기했는데 이는 원자에 관한 것이였습니다.

"이 세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있다."

원자라는 개념이 지금은 중고등학교에서도 쉽게 듣고 배우기 때문에 별거 아닌 것처럼 느껴질진 모르겠지만 어떤 것의 근본적이고 기본적인 단위를 안다는 것은 그것을 이용해 모든 것을 설명할 수 있다는 굉장한 사실입니다. 이는 물리학이 추구하는 방향과도 같습니다. 

 

글의 제목과는 어울리지 않게 갑자기 원자 얘기를 하는게 이상할지도 모르지만 이와 마찬가지로 컴퓨터의 기본적인 단위를 안다면 컴퓨터에서 응용되는 많은 지식과 기술을 이해하는데 큰 도움이 될 것이라고 생각합니다. 그러면 이 세상을 설명하는 기본적인 단위가 원자라면 컴퓨터를 설명하는 기본적인 단위는 과연 무엇일까요?

 

"이 세상의 모든 컴퓨터는 소자로 이루어져 있다."

 

컴퓨터는 넓게 보면 인간 대신 복잡한 계산을 대신 해주는 장치로 얘기할 수 있습니다. 전기 문명 이전에도 여러 톱니바퀴를 맞물려서 계산기를 만들거나 별의 위치를 찾아주는 천문장치들이 있었습니다. 이 후 인류가 전기를 사용하고 진공관을 개발한 뒤 트랜지스터라는 소자를 개발하면서 컴퓨터의 기본단위가 시작됐습니다. 트랜지스터는 여러 종류가 있지만 디지털 신호 0과 1을 출력하는 개념을 설명하기에는 MOFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 으로 충분하기에 MOSFET을 이용하여 소자의 작동원리를 정리하겠습니다.

 

 

MOSFET 소자라는 이름은 그 구조의 형태에서 나온 이름입니다. Metal 은 금속으로 도체, Oxide는 산화물로 부도체, Semiconductor는 반도체이고 평상시에는 전압을 가하더라도 바로 전류가 흐르지 않는 상태입니다. Field Effect 는 '전계효과' 로 쉽게 양극 또는 음극을 띄는 물질 주변에는 전기장이 발생한다고 생각하시면 됩니다 . 

Gate에 전압이 가해졌을 때

MOSFET소자에서 Source 와 Drain은 금속 도체입니다. 양끝에 전선을 연결에 전압을 가하면 전류가 흘러야할 것같지만 구조를 보게되면 Source와 Drain 밑에는 N형 반도체와 P형 반도체가 있기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. (N,P형 반도체와 공핍층에 대한 설명은 생략하고 간단하게 동작 원리에 대해서만 설명하겠습니다.) Source 와 Drain 위에 Insulator(부도체)와 Gate 라는 금속 도체가 올려지게 되는 구조를 가지고 있습니다.

 

그럼 이제 Source 와 Drain 사이에 전류를 흐르게 하려면 어떻게 해야 할까요? 바로 Gate에 양전하를 많이 축적시키는 것입니다. Gate에 배선을 연결한 뒤 반대쪽에 양극을 연결한다면 Gate물질 내의 전자가 이동하면서 Gate에는 양전하가 상대적으로 많아 양극을 띄게 됩니다. 

Gate에서 형성된 전기장에 의해 정렬된 전자

Gate가 양극이 됐으므로 전기장을 발생시켜 P형 반도체에 존재하는 전자들이 Gate쪽으로 몰리게 됩니다. 그 후에 Source와 Drain 밑에서 전자가 길을 형성하게 되고 이 길을 통해서 이제 반도체 물질에 전류가 흐르게 됩니다. 이때 Gate에 양전하가 충분히 쌓여서 전자가 길을 형성해 전류가 흐를 수 있도록 충분히 모여야 합니다. Gate에 충분히 양전하가 쌓인다는 의미는 Gate에 연결된 배선을 통해 충분한 전압을 가해야 한다는 것이고 그 전압 전에는 전류가 흐르지 못합니다. 

 

일정 전압을 기준으로 전류가 흘렀다가 흐르지 않다가 한다는 것은 곧 우리가 전류의 흐름을 통제할 수 있다는 것이고 반도체를 사람의 의도대로 도체, 부도체로 제어할 수 있게 됩니다. 전류가 흐르면 '1' 흐르지 않으면 '0'. 이제 우리는 디지털 신호를 만드는 가장 기본 단위인 트랜지스터 소자를 알았습니다. 이를 이해하기 어렵다면 수도꼭지를 생각해보면 도움이 됩니다. 수도에는 항상 수압이 가해져있는 상태이지만 물이 바로 흐르진 않습니다. 하지만 우리의 손이 힘을 가해 손잡이를 열게 되면 물이 흐르기 시작합니다. Source와 Drain은 수도라고 생각하고 Gate, Insulator, Semiconductor 수도꼭지, Gate에 가해지는 전압은 우리 손의 힘이라고 생각하면 됩니다. 이 소자를 회로 설계를 해서 잘 연결하게 되면 AND,OR,NOT 등과 같은 논리 연산자들을 구현할 수 있게 되고 이런 소자들을 엄청나게 많이 모아놓은 것이 집적회로(Intergrated Circuit)입니다.

 

이제 우리는 왜 컴퓨터가 생각보다 바보같은지 알게 됐습니다. 컴퓨터는 0과 1외에는 알 수 없도록 태어난 존재이고 그들을 이해하기 위해서 2진수,8진수, 비트연산을 배워가는 노력이 필요한 것이죠.