지난 시간에는 20세기 초반부까지의 컴퓨터의 역사에 대해 살펴보았다.
이번 시간에는 계전기와 진공관, 트랜지스터에 이르기까지 과정을 알아본다.
tabulating machines와 같은 특수목적장치는 수동으로 이루어졌던 작업을 자동화하고 대신해주면서 정부와 사업에 거대한 이익을 가져다 주었다. 하지만 사회 시스템의 규모는 예측 불가능할 정도로 계속 커졌다. 20세기 중반 인구 수는 초반에 비해 대략 2배 늘었고, 세계 무역 및 운송 네트워크로 국가 간 서로 연결됨. -> 데이터의 폭발적 증가로 집합 자동화와 계산의 필요성을 증가시킴. 컴퓨터가 거대한 사이즈의 괴물로 변했지만, 이는 미래의 혁신을 위한 무대가 되었다.
가장 크기가 큰 전기식 기계 컴퓨터 중 하나는 2차 세계대전 중 IBM이 동맹군을 위해 1944년 개발한 Harvard Mark 1이었다. 가장 초기 용도는 맨하탄 프로젝트에 대한 시뮬레이션을 실행하는 것.
<계전기>
계전기(mechanical relay, 전류의 유무에 따라 회로를 여닫는 장치)->이는 수도꼭지와 비슷함.
거대한 전기 기계를 가진 짐승의 뇌로 비유됨. 이 계전기 안에서 회로가 닫힐지 열릴지는 제어선(control wire)이 결정. 제어선(수도꼭지 손잡이)은 연결 안쪽의 내부 코일선과 연결됨. 전류가 코일로 흐를 때 전자기장이 만들어지고 차례로 금속 부분이 릴레이 안쪽으로 들어오면서 금속 기계팔을 끌어 당겨 회로를 닫고 완료한다. 하지만 계전기 안에 있는 기계식 팔은 무거워서 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 즉시 이동할 수 없었다. 1940년 대의 성능 좋은 계전기는 1초에 50번 씩 앞뒤로 왔다갔다 할 수 있긴 했지만, 방대하고 복잡한 문제 해결에는 역부족이었음.
Harvard Mark 1은 1초에 3개의 덧셈 또는 뺄셈을 할 수 있었다. 곱셈은 6초, 나눗셈은 15초. 삼각함수는 1분 이상.
계전기는 전환 속도가 느린데다가 마모된다는 한계가 있었음. 또한 계전장치의 수가 늘어나면 실패 확률도 늘어나는데, Harvard Mark 1은 약 3500개의 계전 장치를 가지고 있었다. 만약 계전장치의 수명이 10년이면 매일 평균 한개의 고장난 계전기를 바꿔야 함. 심지어 벌레까지 (윽;) 그 때부터 컴퓨터에 문제가 생기면 버그가 있다고 말함 ! (by Grace Hopper)
<전자 기계식 컴퓨팅에서 전자식 컴퓨팅(Electronic Computing)으로의 전환>
전기 기계식 릴레이보다 더 빠르고 신뢰할 수 있는 대안이 필요해짐. 1904년 영국 물리학자인 John Amborse Fleming은 새로운 전기 구성 요소를 개발함. 이것은 최초의 진공관이었음. 하나의 전극이 가열되면 전자를 방출(열 이온 방출). 다른 전극은 이 전자를 끌어당김. 전기의 흐름을 만들지만 양극으로 충전된 상태에서만 진행됨. 음극이거나 중성 전하를 띠면 전자는 더 이상 진공을 통해 끌어당겨지지 않고 전류는 흐르지 않음. 한 쪽으로만 전기를 흐르도록 작용하는 전자 부품은 다이오드라고 부른다. 우리가 정말로 필요했던 것은 전기의 흐름을 껐다 켰다 할 수 있는 스위치였음.
1906년 미국 발명가인 Lee de Forest는 Fleming이 고안한 두 개의 전극 사이에 세번째 제어 전극을 추가함. 제어 전극에 양전하를 더하면 이전과 같이 전류가 흐르지만, 제어 전극에 음전하가 주어지면 전자의 흐름을 막음. 제어선을 조작하면서 회로를 열거나 닫을 수 있게된다는 점에서 계전기와 같지만, 진공관에 움직이는 부분이 없어서 마모가 적을 뿐 아니라 1초에 수천번을 전환할 수 있었음. 이 3극 진공관은 라디오, 장거리 전화 등 많은 전기 기계들의 기본이 되었다. 물론 부서지기 쉽고 고장이 난다는 단점이 있기는 했지만, 여전히 전기 계전기보다는 큰 발전이었다. 그리고 비싸기도 했음. 컴퓨터에는 수백~수천개의 전기적 스위치가 필요했기 때문이다. 하지만 1940년 대에 진공관의 비용과 신뢰성은 상당히 나아져서 (최소한 정부 등 재력을 지닌 집단에는) 실현이 가능해졌다.
최초로 진공관이 큰 규모의 컴퓨팅에 사용된 것은 Tommy Flowers라는 기술자가 개발한 Colossus MK 1이었다. Colossus는 영국에 있는 브레틀리 공원에 설치되어 나치 통신을 해독함.
(컴퓨터의 아버지라 불리는 앨런 튜링이 2년 앞서 브레틀리 공원에서 Bombe라는 전자 기계를 만들기도 했음. Bombe은 나치의 애니그마 코드를 해독하기 위해 만들었는데, 나중에 자세히 알아보자.)
Colossus의 최초 버전은 1600개의 진공관을 지녔고, 코드를 해독하기 위해 총 10개의 Colossi가 만들어졌다. Colossus는 최초로 프로그래밍이 가능한 전자 컴퓨터로 여겨진다.
몇년 후 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)이 펜실베니아 대학에서 1946년에 완성됨. 세계 최초의 범용가능한 (General Purpose) 전자 컴퓨터이다. 1초당 5000자리 숫자의 덧셈, 뺄셈 가능. 10년동안 작동 가능했고, 그 시점까지 전체 인류가 할 수 있는 계산보다 더 많이 한 것으로 예측됨. 하지만 많은 진공관의 실패로 애니악은 일반적으로 한번에 약 반나절동안 작동 중지됨.
1950년 대에는 진공관으로 설계된 컴퓨팅조차 한계에 다다랐다. 속도와 안정성 개선하고 가격과 크기를 줄이기 위해 급진적인(radical) 전자 스위치 필요했음. 1947년에 벨 연구소 과학자 John Bardeen, Walter Brattain, William Shokley는 트랜지스터를 발명하여 컴퓨팅의 새로운 시대가 탄생했다 !!
<트랜지스터>
트랜지스터의 물리학은 양자 역학에 의존하기 때문에 매우 복잡하므로 기본만 짚고 넘어가자. 트랜지스터는 진공관이나 계전기와 비슷하다. 스위치는 제어 전선(control wire)을 통한 전력 공급으로 열거나 닫을 수 있음. 트랜지스터에는 두개의 전극(electrode)이 있는데 어떤 물질로 분리되어 있어, 가끔은 전기를 통하게도 하고 안 통하게도 한다. 그것이 바로 반도체 !!! 제어선이 게이트 전극에 닿아 게이트의 전하를 변화시키면 반도체 물질의 전도도가 manipulate되어 전류를 흐르게 하거나 멈추게 할 수 있다. 벨 연구소의 첫 번째 트랜지스터는 1초에 10000번 스위치 켜고 끌 수 있었음. 게다가 진공관의 구성품은 유리로 만들어서 깨지기 쉬웠지만, 트랜지스터는solid한 고형 물질로 만들어져 있었음. 그리고 계전기나 진공관보다 더 작게 만들 수 있었기 때문에 훨씬 더 작고 저렴한 컴퓨터를 만들 수 있게 되었다.
최초로 완전히 트랜지스터로 가동하여 상용으로 쓸 수 있는 컴퓨터는 1957년 출시된 IBM 608이었다. 3000개의 트랜지스터를 포함하고 1초당 4500회의 덧셈과 대략 80개의 곱셈 또는 나눗셈을 할 수 있었음. IBM은 곧 컴퓨팅 제품을 모두 트랜지스터로 전환하여 사무실과 가정에 도입함.
오늘날, 컴퓨터는 50나노미터 크기보다 작은 트랜지스터를 사용한다. (1장의 종이는 대략 10만 나노미터임. wow..) 얇은데 빠르기까지 하다. 1초에 수백만번의 상태 전환, 수십년동안 작동 가능.
실리콘 밸리는 어떻게 실리콘 밸리가 되었을까? 트랜지스터와 반도체 개발이 주로 Santa Clara Valley라는 지역에서 이루어졌고, 일반적으로 반도체 만드는 데에 실리콘을 사용하였기 때문에 이 지역이 실리콘 밸리로 알려짐.
William Shockley는 실리콘 밸리에 Shockley Semiconductor를 세우고, 그 직원들은 후에 Fairchilde Semiconductors를 창업. 그 직원들은 오늘날 세계에서 컴퓨터 칩을 만드는 가장 큰 회사인 인텔을 설립하였다.
