[컴퓨터 구조] 컴퓨터의 발전 과정

오늘은 컴퓨터의 발전과정과 동향에 대해 알아보겠습니다.

1. 초기의 컴퓨터

처리속도가 빨라지고 저장용량이 크게 증가하는 등 컴퓨터는 빠르게 발전하고 있습니다.

중요한점은 근본적인 설계 개념은 크게 바뀌지 않았다는 점 입니다. 모체가 되는 초기의 컴퓨터를 알아보겠습니다.

1) IAS 컴퓨터와 폰노이만 구조

Stored-program은 폰노이만에 의해 제안된 개념입니다.
이는 프로그램과 데이터를 기억장치에 저장하고 변경함으로써 훨씬 편리하게 컴퓨터를 사용할 수 있게 하였습니다.

설계 개념은 다음과 같습니다.

• 2진수 체계 사용
• 프로그램과 데이터를 내부에 저장

이러한 설계개념을 적용한 컴퓨터는 IAS컴퓨터로 그 이후에 출현한 모든 일반목적용 컴퓨터들의 기본형이 되었습니다.

IAS 컴퓨터 : 폰노이만 설계개념을 적용하여 프로그램 저장과 변경이 가능하도록 구현된 최초의 디지털 컴퓨터

 

IAS 컴퓨터 구조

IAS 컴퓨터는 다음과 같은 부분들로 구성되어 있습니다.

• 프로그램 제어 유니트(PCU)
• 산술논리연산장치(ALU)
• 주기억장치
• 입출력장치

프로그램 제어 유니트는 주기억장치로부터 명령어들을 한 개씩 가져와서 실행함으로써 IAS를 작동시킵니다.

주기억장치에는 명령어와 데이터가 모두 저장됩니다. 주기억장치에서 읽혀오는 명령어의 수는 두개씩입니다.

하나는 즉시 프로그램 제어 유니트로 보내져 실행되고, 다른 하나는 명령어 버퍼에 저장되어 있다가다음 명령어 실행 사이클에서 실행됩니다. 이로 인해 명령어 인출을 위한 기억장치 엑세스 시간이 단축됩니다.

 

IAS의 구조로 만들어진 컴퓨터의 특징은 프로그램이 순차적으로 실행된다는것 입니다.

특별한 이유가 없는 한, 프로그램 코드들은 기억장치에 저장된 순서대로 실행되며, 그 주소는 CPU의 내부 레지스터 프로그램 카운터에 의해 지정됩니다. 이러한 구조설계 개념을 폰노이만 아키텍처라고 합니다.

폰노이만 아키텍처: 기억장치에 저장된 프로그램을 카운터가 지정하는 순서대로 실행시킴

 

2. 컴퓨터의 발전

1) 컴퓨터 부품의 발전

전자식 컴퓨터의 중요한 변화중 하나는 진공관을 트랜지스터로 대체한 것 입니다.

트랜지스터는 진공관보다 작고 싸며 적은열을 발산하고, 진공관을 대체할 수 있었습니다. 이는 반도체 물질인 실리콘을 이용하여 만들어집니다.

트랜지스터: 전류의 크기를 조절하는 장치, 전자 신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭

진공관을 이용하던 컴퓨터는 1세대, 트랜지스터를 적용한 컴퓨터를 2세대로 분류하게 됩니다. 2세대 초기에는 대략 1000개정도의 트랜지스터가 컴퓨터에 들어갔는데, 기능이 확대되고 용량이 증가함에 따라 부품의 수가 계속 늘어났고 제작하는것에 어려움을 겪습니다.

여기서 직접회로(IC)가 등장하며 컴퓨터 분류는 3세대로 넘어가게 됩니다.

직접회로(IC): 실리콘 반도체 칩에 다수의 트랜지스터들을 넣어 제조한 전자부품

IC 칩들을 분류하면 다음과 같습니다.

• SSI(Small Scale IC) : 수십개의 트랜지스터
• MSI(Medium Scale IC) : 수백개
• LSI(Large Scale IC) : 수천개
• VLSI(Very Large Scale IC) : 수만~수십만개
• ULSI(Ultra Large Scale IC) : 수백만

안에 트랜지스터가 몇개 들어가냐에 따라서 소, 중, 대, 특대 나눈것입니다.

이중 LSI 기술이 개발된 시점부터 마이크로프로세서가 등장하고 컴퓨터 세대는 4세대로 구분됩니다.

마이크로프로세서: CPU 내부 회로 전체를 하나의 반도체 칩에 넣은 IC

 

컴퓨터 세대를 다시한번 정리해보자면 다음과 같습니다.

• 1세대 : 진공관
• 2세대 : 트랜지스터
• 3세대 : IC
• 4세대 : 마이크로프로세서(LSI)

 

2.5D IC, 3D IC

패키징 기술 또한 발전하였습니다.

서로 다른 기능을 가진 여러 개의 칩들을 하나의 패키지 기판상에 수평으로 배치하여 패키징 하는것을 2.5차원 IC라고 합니다.
이 경우 칩들간의 신호선 접속은 인터포저 층에서 이루어집니다.

더 나아간 3차원 IC에서는 패키징을 쌓아올려서 공간을 확보합니다.

2.5D IC: 하나의 패키지 기판상에 여러개의 칩들을 수평으로 배치

3D IC: 패키지 기판 상에 칩들을 수직으로 쌓아올려 패키징

 

2) 발전 동향

마지막으로 컴퓨터 발전 동향에 대해 간략하게 알아보겠습니다.

• CPU-GPU 결합 : CPU가 GPU 혹은 TPU와 결합되는 혼합형 구조, 각종 AI 및 기계학습을 고속으로 처리하기 위함
• 모듈식 설계 : 슈퍼 컴퓨터를 구성하는 수많은 노드들을 각각 모듈 단위로 설계, 노드의 구성요소들을 새로운것으로 대체시키며 전체 시스템 구성의 변화 없이도 성능을 지속적으로 향상
• 고속 상호연결망 기술 : 노드, 프로세서, 가속기간의 전송 지연을 최소화 시키는 고대역폭 저지연 상호연결기술
• 고대역폭 기억장치 : 대형 언어모델(LLM)과 같은 대규모 데이터 세트들을 더욱 신속히 엑세스
• 클라우드 및 에지 통합 : 슈퍼 컴퓨터와 클라우드 서버가 결합되어 동적으로 작업량을 분할처리
• 양자컴퓨팅 : 암호해독, 신약개발 분야에서의 고속처리에 적합할것으로 예상되는 기술

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두번째 CS 글입니다.

시간이 줄긴 했습니다. CSS도 건드려서 오류나는것도 해결했구요.

지금 되게 재밌는데 계속 재밌게 공부하면 좋겠습니다.