컴퓨터가 뭐야?(What is the Computer?)

컴퓨터가 뭐지?

우리가 일상 생활 속에서 가장 많이 사용하는 것이 컴퓨터다. 그런데 우리가 매일 먹는 밥이 어떤 처리(과정)를 거쳐서 우리 밥상에 올라오는지를 모르고 살아가는 것처럼, 컴퓨터가 무엇인지 정확하게 모르고 살아가고 있다. 이것은 역설적으로 우리 생활 속에서 너무나 익숙하기 때문에 그 존재에 대해서 궁금해할 이유가 없어서일 수 도 있다.

우리 생활의 혁신을 가져온 컴퓨터의 역사는 그렇게 오래되지 않았다. 물론 길다면 길 수 있는 역사를 이야기할 수 있지만, 오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터와 같은 구조를 가진 컴퓨터가 등장한 것은 이제 70~80년 밖에 되지 않았다. 더구나 우리가 개개인이 컴퓨터를 사용할 수 있는 환경을 갖춘 것은 20년도 채 되지 않는다.

일반적으로 컴퓨터의 출현시기는 19세기로 이야기를 하지만 오늘날 우리가 사용하는 프로그램이 가능한(programmable) 디지털 컴퓨터는 1940대에 등장하게 된다.

19세기에 등장한 컴퓨터는 디지털 컴퓨터가 아닌 기계식 컴퓨터나 차분기, 방직기를 위한 제어기와 같은 기능을 수행하는 것이었다.(위키피디아 참조) 이들 기계식 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터로써 오늘날 사용하는 디지털 컴퓨터와는 다른 모습을 갖고 있다.

Difference Engine(wikipedia.org)

일반적으로 널리 알려진 현대 디지털 컴퓨터의 시초는 미국에서 1946년도에 만들어진 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)으로 알려져 있다. 그러나 군사기밀로 알려지지 않거나 역사에서 주목 받지 못해서 사라진 컴퓨터들이 알려지기 시작하면서 ENIAC 이전에도 디지털 컴퓨터가 존재하고 있다는 사실이 밝혀졌다.(위키피디아 참조)

위키피디아의 컴퓨터 역사에 관한 자료에 의하면 1936년 독일의 Alan_Turing이 알고리즘과 계산의 수학적 기반을 다졌으며, 이를 적용한 기계를 Turing Machine 이라고 명명하였다. 이후에 보다 확장된 Universal Machine(Universal Turing Machine)의 개념을 제공하였고, 오늘날의 컴퓨터 처리 방식의 기반을 제공한 폰 노이만(John von Neumann)이 이 개념을 이어받았으며, 컴퓨터의 핵심 처리방식인 순차처리 방식이 등장하게 된다. 오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터는 알고리즘을 완벽하게 수행하는 General Turing Machine 이라는 의미에서 Turing-complete라고 한다.

ENIAC의 등장 이전의 초기 방식 컴퓨터는 전기로 기계적 스위치를 움직이는 Electromechanical Computer 였다. 1939년 독일 엔지니어인 Konrad Zuse가 Z2를 만들었으며, 1941년에는 프로그램이 가능한 Z3를 만들었다. Z3는 2,000개의 릴레이(전자석을 이용한 스위치)를 가졌으며, 22비트, 5~10Hz의 클록 주파수를 가졌다. 초기의 Z3는 1943년 연합군의 베를린 폭격 때 파괴되었기 때문에 널리 알려지지 않았으나 1960년대에 Zuse의 회사에서 복원한 것이 뮌헨의 박물관에 전시되어있다.

Zuse Computer(복원판, 뮌헨 박물관, wikipedia.org)

순수한 전기회로로 동작하는 컴퓨터는 Tommy Flowers가수천개의 진공관으로 1934년에 만들어서 1939년에 동작하게된 전자식 전교환기가 있었으며, 1942년에는 미국 아이오와 주립대학교의John Vincent Atanasoff와 Clifford E. Berry가  300개의 진공관을 사용하여 만든 ABC(Atanasoff–Berry Computer) 컴퓨터가 최초의 자동 전자식 컴퓨터로 알려져있다. 

2차대전 중인 1943년, 독일의 암호화기인 Enigma를 해독하기 위해서 영국의 Bletchley Park이 Colossus 라는 컴퓨터를 만들어서 1944년도부터 암호해독에 사용되었다. Colossus는 최초의 프로그램 가능한 전자식 디지털 컴퓨터 이지만 Turing-complete는 아니었다.

Colossus(wikipedia.org)

1946년 미국에서는 펜실베니아 대학의 John Mauchly와 J. Presper Eckert에 의해서 ENIAC이 만들어졌는데, 이는 최초의 프로그램 가능한 전자식 디지털 컴퓨터이면서 Turing-complete 컴퓨터 였다. ENIAC은 약 18,000개의 진공관과 1,500개의 릴레이를 사용하였으며, 무게가 30톤에 200킬로와트의 전력을 소모하였고 초당 5,000회의 덧셈/뺄셈이 가능했다. 오늘날의 데스크탑 PC가 약 200와트의 전력을 소모하니까 1,000대의 PC 전력을 소모하면서 성능은 형편없었다. 물론 지금 상황에서 형편없는 것이지 1946년 당시에는 획기적인 컴퓨터이다. ENIAC은 프로그램을 변경하기 위해서 많은 케이블을 변경하여 연결함으로써 다른 프로그램으로 변경이 가능하였다.

ENIAC(wikipedia.org)

ENIAC은 제1세대 컴퓨터로 구분되며, 당시의 전자소자는 진공관이었기 때문에 진공관을 이용하여 만들어서 50만달러의 비용이 들었다. 진공관은 기본적으로 소자 하나의 크기가 크기 때문에 면적도 많이 차지하고 전력소모도 매우 크다.

1947년도에 반도체를 이용한 트랜지스터라는 전자소자가 발명되면서 진공관을 대체할 수 있게 되었다. 1955년에는 영국의 Harwell사의 원자력연구소의 전자부서에서  완전히 트랜지스터로 제작된 컴퓨터 CADET (Transistor Electronic Digital Automatic Computer – backwards)를 만들었으며, 125KHz로 동작하고 마그네틱 드럼 메모리(drum memory)를 채택하였다.

반도체를 이용한 트랜지스터의 발명은 본격적으로 디지털 컴퓨터의 혁신을 가져오게되는데, 트랜지스터는 진공관과 달리 반도체로 되어있어서 제작하는 과정에서 여러개의 트랜지스터를 한꺼번에 집적할 수 있게되었다. 이렇게 여러개의 트랜지스터가 들어가있는 것을 집적회로( integrated circuit: IC)라 불렀다. IC는 1958년 Texas Instruments사의 Jack Kilby에 의해서 처음으로 고안되었으며, 6개월 후에 Fairchild Semiconductor사의 Robert Noyce도 IC를 만들었다. Kilby는 IC를 만드는 소재로 게르마늄(Ge)을 이용하였으며, Noyce는 실리콘(Si)을 이용하였다. 실리콘은 모래(SiO2)에서 손쉽게 얻을 수 있는 원료이기 때문에 상용화가 쉽게 이루어질 수 있었다.

IC가 만들어지면서 오늘날 누구나 잘 알고있는 인텔사에서 4004라는 4비트 마이크로프로세서를 제작하면서 본격적으로 디지털컴퓨터 시대를 열어간다. 성능은 말할 것도 없고 가격도 비교할 수 없을 정도로 저렴한 컴퓨터가 등장하기 시작하는 것이다.

컴퓨터에서 연산을 담당하는 마이크로프로세서 또는 CPU(Central Processing Unit)의 발전과 함께 주변장치와 메모리 등의 발전하면서 오늘날의 컴퓨터의 모습을 갖춰가기 시작하였고, 따라서 컴퓨터는 4가지 요소로 구성된다.

1. CPU
2. Memory
3. Input
4. Output

위에서 언급된 4가지 요소는 하드웨어적인 요소이며, 하드웨어를 운영하기 위해서는 소프트웨어가 있어야 한다. 소프트웨어는  다음과 같이 2가지로 구분한다.

1. System Software(Operating System, Utility)
2. Application Software