[ 컴퓨터구조 ] 1.4 컴퓨터 구조의 발전 과정

[ 컴퓨터 구조의 발전 과정 ]

▣ 주요 부품들의 발전 과정

▪ 릴레이(relay) → 진공관 → 트랜지스터 → 반도체 집적회로(IC)

▪ 발전 과정에서 개선된 특성들: 

➢처리속도 향상

➢저장용량 증가 

➢크기 감소 

➢가격 하락 

➢신뢰도 향상

▣ 초기 컴퓨터들의 근본적인 설계 개념과 동작 원리가 현대의 컴퓨터들과 거의 같음

 

최초의 컴퓨터

▣ 1642년, Blaise Pascal(프랑스)

▣ 덧셈과 뺄셈을 수행하는 기계적 카운터

▣ 다이얼의 위치에 의하여 십진수를 표시하는 6개의 원형판 세트들로 구성

▣ 각 원형판은 일시적으로 숫자를 기억하는 레지스터로 사용

Leibniz의 기계

▣ 1671년, Gottfried Leibniz(독일)

▣ 덧셈과 뺄셈 및 곱셈과 나눗셈도 할 수 있는 계산기

▣ Pascal의 계산기에 두 개의 원형판들을 추가하여 반복적 방 법으로 곱셈과 나눗셈을 수행

▣ 이후 많은 계산 기계들의 조상이 됨

Difference Engine

▣ 19세기 초, Charles Babbage(영국, 현대 컴퓨터의 할아버지)

▣ 표에 있는 수들을 자동적으로 계산하고, 그 결과를 금속천 공기를 거쳐서 프린트

▣ 덧셈과 뺄셈만 수행 가능

Analytical Engine

▣ 19세기 초, Charles Babbage(영국)

▣ 주요 특징들

▪ 어떤 수학 연산도 자동적으로 수행할 수 있는 일반목적용 계산기계

▪ 프로그래밍 가능 : 프로그램 언어 사용

▪ 프로그램의 실행 순서 변경 가능 

   ➢수의 부호 검사를 이용한 조건 분기 

   ➢제어 카드를 이용한 실행 순서 변경

▣ 문제점

▪ 주요 부품들이 기계적 장치라 속도가 느리고 신뢰도가 낮았음

 - Analytical Engine의 기본 구조 

▣ 산술연산장치: MILL
▣ 기억장치: STORE
▣ 입력장치: 카드판독기
▣ 출력장치: 카드 천공기, 프린터

ENIAC

▣ Electronic Numerical Integrator And Computer

▣ 1940년대 초, von Neumann(폰 노이만)이 개발

▣ 펜실바니아 대학에서 개발한 진공관을 사용한 최초의 전자식 컴퓨터

▣ 문제점: 프로그램의 저장 및 변경 불가능

▣ 폰 노이만의 설계 개념(stored-program 원리) 발표 

▪ 프로그램과 데이터를 내부에 저장
▪ 2진수 체계(binary number system) 사용

▪ 1945년 발표 후, EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer) 개발 에 실제 적용

 

IAS 컴퓨터

▣ 1946년~1952년: 폰 노이만이 IAS에서 개발

▪ 폰 노이만: 프린스턴대학 및 IAS(Institute for Advanced Studies)의 수 학 교수

 

▣ 프로그램 저장과 변경이 가능한 최초의 디지털 컴퓨터

▣ 주요 구성요소

▪ 프로그램 제어 유니트(Program Control Unit) : 명령어 인출/해독▪ 산술논리연산장치(ALU)
▪ 주기억장치 : 명령어와 데이터를 모두 저장
▪ 입출력장치

▣ 폰 노이만 아키텍처(von Neumann Architecture):

프로그램 코드들을 기억장치에 저장된 순서대로 실행하며, 그 주소는 CPU의 내부 레지스터인 프로그램 카운터(program counter: PC)에 의해 지정됨

[ 주요 컴퓨터 부품들의 발전 경위 ]

▣ 트랜지스터(transistor)

▪  초기(제1세대) 전자식 컴퓨터의 핵심 부품인 진공관을 대체한 전자부품

▪  진공관보다 작고 싸며 더 적은 열을 발산

▪  반도체 재료인 실리콘(Si)으로 만들어진 고체(solid-state) 장

▪  제2세대 컴퓨터들의 핵심 부품

▪  초기 컴퓨터들은 약 1000개의 트랜지스터들로 구성

▣ 집적 회로(Integrated Circuit: IC)

▪  수만 개 이상의 트랜지스터들을 하나의 반도체 칩에 집적시킨 전자 부품

▪  제3세대 컴퓨터들의 핵심 부품

[ 집적도에 따른 IC의 분류 ]

▣ SSI(Small Scale IC)

▪  수십 개의 트랜지스터들이 집적되는 소규모 IC

▪  최근에는 주로 기본적인 디지털 게이트(digital gate)들을 포함하는 칩으 로만 사용됨

▣ MSI(Medium Scale IC

▪  수백 개의 트랜지스터들이 집적되는 IC

▪  카운터(counter), 해독기(decoder) 또는 시프트 레지스터(shift register)와 같은 조합 회로나 순차 회로를 포함하는 칩

▣ LSI(Large Scale IC)

▪ 수천 개의 트랜지스터들이 집적되는 대규모 IC

▪ 8-비트 마이크로프로세서 칩이나 소규모 반도체 기억장치 칩 

▪ 제4세대 컴퓨터 분류의 계기가 됨

▣ VLSI(Very Large Scale IC)

▪ 수만 내지 수십만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 초대규모 IC 

▪ 마이크로프로세서 칩들과 대용량 반도체 기억장치 칩

▣ ULSI(Ultra Large Scale IC)

▪ 수백만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 32-비트급 이상 마이크 로프로세서 칩들과 수백 메가비트 이상의 반도체 기억장치 칩들 및 앞으로 출현할 고밀도 반도체 칩들을 지칭하기 위한 용어로서, VVLSI(VeryVery Large Scale IC)라고도 불림

[ IC 사용에 따른 이점 ]

▣ 전기적 통로가 짧아짐→동작 속도가 크게 상승

▣ 컴퓨터 크기의 감소

▣ 칩 내부의 회로들 간의 상호연결→부품들의 신뢰도 향상

▣ 전력소모 감소 및 냉각장치의 소형화
▣ 컴퓨터 가격 하락
▣ VLSI의 출현으로 개인용 컴퓨터(PC)가 개발됨

[ 컴퓨터시스템의 분류와 발전 동향 ]

1) 개인용 컴퓨터(PC)

▣ 특징

▪ 소형, 저가
▪성능 : 수십 년전의 대형 메인프레임 컴퓨터의 성능을 능가

▣ 주요 발전 동향

▪  성능이 개선된 새로운 마이크로프로세서들의 등장에 따라 PC의 성능은 계속 향상

▪  8-비트, 16-비트, 32-비트 CPU 사용으로 단어 길이 증가 64-비트 단위의 데이터 처리 및 기억장치 주소 사용 PC들도 출시 중

▪  프로세서가 다수의 명령어 실행 유니트들 혹은 CPU 코어들을 포함하는 슈퍼 스칼라, 듀얼-코어 및 멀티-코어 구조로 발전

▪ 칩의 집적도가 높아지면서 주변 요소들이 CPU 칩 내부에 포함됨에 따라, 속도와 신뢰도가 크게 향상

▪ GPU(Graphic Processing Unit)를 계산보조장치로 사용함으로써 고속 그래픽 처리 뿐 아니라 복잡한 과학기술 계산들도 높은 속도로 처리 할 수 있게 됨

▪ 주기억장치와 보조저장장치의 용량 증가, 종류 다양화 

▣ 종류(유형)

▪ 데스크탑(desktop) 컴퓨터, 노트북(notebook) 컴퓨터, 넷북(netbook), 태블릿(tablet) PC, 포켓(pocket) PC, 등

2) 임베디드 컴퓨터

▣ Embedded Computer(내장 컴퓨터라고도 부름)

▣ 기계 장치나 전자 장치들의 내부에 포함되어, 그 장치들의 동작을 제어(control)하는 컴퓨터들

[예] 가전제품, 컴퓨터 주변기기, 모바일폰, 비디오 게임기 등

▣ 8-비트 마이크로컨트롤러(micro-controller)를 이용한 초소형부터 32-비트 컴퓨터에 이르기까지 다양

▣ 최소의 비용으로, 필요한 만큼의 성능 제공

▣ 실시간 처리(real-time processing)

▣ IoT(Internet of Things) 및 지능형 로봇의 핵심 요소로 사용되어 더욱 다양해지고 보급도 확대될 전망

3) 서버급 컴퓨터시스템

▣ 워크스테이션(workstation)

▪ CPU : 64-비트 마이크로프로세서 사용
▪ 고속 그래픽 처리 하드웨어 포함
▪ 주요 응용 : 3차원 동영상처리, 시뮬레이션, 컴퓨터 이용 설계(CAD), 등 ▪ OS : UNIX, LINUX

▣ 슈퍼미니컴퓨터(Super-minicomputer)

▪ 시스템 구조 : 다중프로세서(multiprocessor) 구조
▪ CPU의 수 : 20 ~ 30 개
▪성능 : VAX-11 미니컴퓨터 성능의 수십 배 이상
▪ OS : UNIX, LINUX (multiprocessing, multi-user 지원)
▪ 서버(server)급 시스템의 다운사이징(downsizing)화 주도

→ 네트워크에 접속된 다수의 중형급 컴퓨터 시스템들을 응용(혹은 용도)별로 구분하여 사용하는 컴퓨팅 환경이 가능해지게 함

[ 다중프로세서시스템의 구조 ]

4) 메인프레임 컴퓨터(mainframe computer)

▣ 중앙집중식 컴퓨팅을 위한 대형 컴퓨터

▣ IBM 360 및 370 계열, 3081, 3090 등으로 계속 발전하였으며, 최 근 시스템 보안 및 통신 기능이 대폭 보강된 IBM zEnterprise 계열 출현

▣ 대용량 저장장치 보유
▣ 다중 I/O 채널을 이용한 고속 I/O 처리 능력 보유 ▣ 대규모 데이터베이스 저장 및 관리용으로 사용

▣ 정부기관, 은행, 대형 인터넷포탈사이트 등에서 대규모 데이터베 이스(빅데이터) 저장 및 관리용으로 사용

5) 슈퍼컴퓨터(supercomputer)

▣ 현존하는 컴퓨터들 중에서 처리 속도와 기억장치 용량이 다른 컴 퓨터들에 비하여 상대적으로 월등한 컴퓨터 시스템들

▣ 분류 기준: 계속적으로 상승
▪ 최초의 슈퍼컴퓨터인 CRAY-1의 속도는 100 MFLOPS
▪ 최근의 슈퍼컴퓨터들의 속도는 PFLOPS급 (수백만 배 향상)

▣ 주요 응용 분야들

▪ VLSI 회로 설계, 항공우주공학, 천문학(일기 예보), 구조 공학, 유전 탐 사, 핵공학, 인공지능, 입체 영상처리 등과 같은 대규모 과학 계산 및 시뮬레이션