계산도구로서 가장 간단한 것은 주판이며, 그 역사는 매우 오래되었다. 주판을 제외하면 17세기에 이르도록 특별한 계산도구가 없었으나 1642년 프랑스 수학자·철학자인 B. 파스칼이 톱니바퀴를 이용한 수동계산기를 고안하였다. 이 최초의 기계식 수동계산기는 덧셈과 뺄셈만이 가능했던 것으로, 71년 무렵 독일 G.W. 라이프니츠가 이를 개량하여 곱셈과 나눗셈도 가능한 계산기를 발명하였다. 그 뒤 1812년 무렵 영국 수학자 C. 배비지는 처음으로 자동 계산기에 대한 견해를 발표하였다. 그는 23년 삼각함수표를 유효숫자 5자리까지 계산하여 종이에 인쇄하는 차분기관(difference engine)을 만들었고, 현재의 디지털 컴퓨터의 선구가 되는, 방정식을 순차적으로 풀 수 있도록 고안된 해석기관(analytical engine)을 설계하였다. 이 자동 계산기는 ① 수를 저장하는 장치(기억) ② 저장된 수치간의 계산을 하는 장치(연산) ③ 기계의 동작을 제어하는 장치(제어) ④ 입출력 장치로 이루어져 오늘날의 컴퓨터와 똑같은 구성으로 되어 있다. 그러나 모두 기계부품이 쓰인 것으로 당시의 기술적 제약 때문에 실현되지는 못하였다. 최초의 자동 계산기는 계전기를 사용하여 1초에 덧셈을 3번 할 수 있는 전기기계식 계산기 마크-원(MARK-Ⅰ)으로서, 1944년 아이비엠(IBM)회사와 하버드대학 H.H. 에이킨이 만들었다. 마크-원은 배비지의 해석기관 설계개념을 계전기와 스위치·전동기 등으로 구현한 것인데, 3000여 개의 계전기와 기어로 만들어 천공된 종이테이프로 제어되는 자동순차적 제어방식이 특징이었다. 그러나 기계적 제약 때문에 연산처리 속도는 늦었다. 46년 미국 펜실베이니아대학 J.P. 에케르트와 J.W. 모클리는 최초의 전자식 계산기 에니악(ENIAC)을 완성하였다. 이것은 진공관을 사용한 최초의 자동 계산기로 1만 8000여 개의 진공관과 1500개의 계전기를 사용하였고 무게가 30t이나 되는 거대한 기계였다. 150㎾의 전력을 소비하였고 연산속도는 매초에 5000번 처리할 수 있으며, 십진수 10자리의 곱셈을 0.0028초, 나눗셈을 0.006초 이내에 처리할 수 있는 획기적인 컴퓨터였다. 마크-원에서는 계산을 제어하는 데 종이테이프가 쓰인데 비해 에니악에서는 배선판이 쓰였다. 그러나 어느 것이나 계산순서를 지령하는 일련의 명령은 그 대상인 데이터와는 별도로 주어졌다. 프로그램을 배선판에 일일이 배선하는 외부 프로그램 방식이었으므로, 에니악에서는 작업에 따라 배선판을 교체해야만 하였다. 그 뒤 에니악의 단점을 보완하기 위해 J. 노이만이 기억장치에 컴퓨터의 명령이나 데이터를 모두 기억시키는 프로그램 내장방식을 제안하였다. 49년 영국 케임브리지대학에서 이 프로그램 내장방식을 답변확정하여 세계 최초로 내부기억장치가 있는 에드삭(EDSAC)을 개발하였고, 미국에서는 52년 전자식 프로그램 내장방식인 에드박(EDVAC)을 만들었다. 또한 1951년 유니박-원(UNIVAC-Ⅰ)을 만들어 상품화하는 데 성공하였는데, 이것이 최초의 상업용 컴퓨터이다. 에드삭은 소프트웨어면에서도 크게 이바지하였다. 그 뒤 프린스턴고등연구소에서 노이만의 지도 아래 제작된 이아스(IAS) 컴퓨터를 비롯하여 차례로 매사추세츠공대의 월윈드(Whirlwind), 에케르트와 모클리의 바이낙(BINAC), 일리노이대학의 일리악(ILLIAC), 랜드회사의 조니악(JOHNIAC) 등이 제작되었다. 또한 컴퓨터의 크기는 반도체 기술과 전자기술의 발달로 점점 작아지고 연산속도도 피코초(ps) 단위로 빨라졌으며, 이용범위도 확대되어 가정은 물론 산업사회의 여러 분야에서 다양하게 이용되고 있다.
세계 최초의 컴퓨터인 에니악이 나타난 이래 오늘날까지의 발달상은 그 이전의 몇백 년과 비교할 수 없을 만큼 빠르다. 컴퓨터의 발전 단계를 회로소자에 따라 구분하면 다음과 같다.
⑴ 제 1 세대(1940∼50년대 후반):주요 회로소자로 진공관을 사용하였고, 주로 과학기술 계산 분야에 이용되었다. 진공관은 수명이 짧고 열이 많이 발생하므로 소비전력이 많았으며, 컴퓨터의 연산속도는 밀리초(ms) 단위였다.
⑵ 제 2 세대(1950년대 후반∼60년대 중반):주요 회로소자로 진공관 대신 트랜지스터를 사용하였다. 트랜지스터는 진공관보다 부피가 작고 소비량이 적으며 신뢰성이 높다. 주기억장치로는 자기코어가 쓰였고 보조기억장치의 사용으로 기억용량이 커졌으며, 컴퓨터의 연산속도가 마이크로초(㎲) 단위이며 일반 사무처리에도 이용되었다. 고급언어와 원거리 데이터를 처리하는 원거리 데이터 통신이 도입되었다.
⑶ 제 3 세대(1960년대 중반∼70년대 후반):반도체 기술이 진보, 많은 트랜지스터와 저항으로 구성된 전자회로를 반도체 결정체 위에 압축시킨 집적회로(IC)를 사용하였다. 과학기술 계산 외에 사무처리도 할 수 있는 범용 컴퓨터가 개발되었다. 연산속도는 나노초(㎱) 단위로 빨라졌다. 또한 컴퓨터 내부에서 시스템을 관리·제어하는 운영체제(OS)가 발달, 온라인실시간처리와 다중프로그래밍 방식이 널리 보급되었다.
⑷ 제 4 세대(1970년대 후반∼현재):이 시기에는 하나의 칩에 많은 회로를 집적시킨 고밀도 집적회로(LSI)와 초고밀도 집적회로(VLSI)를 사용하였다. 연산속도는 피코초(ps) 단위로 빨라졌다. 부피가 초소형화된 마이크로프로세서의 개발로 초대형 컴퓨터의 제작뿐만 아니라 부피는 초소형이며 값싸고 성능 좋은 마이크로컴퓨터의 보급이 가능하게 되었다. 컴퓨터가 각종 산업기계에 응용되었고, 공장자동화 시스템(FA)과 사무자동화(OA) 시스템까지 이룰 수 있게 되었다. 또한 전자제품·자동제어기기·오락 등에도 이용되고, 통신기술의 발달로 세계 전역의 통신망이 컴퓨터와 연결되어 가정에서도 단말기를 통해서 모든 정보를 쉽게 얻을 수 있게 되어 컴퓨터 이용의 대중화시대가 열렸다. 앞으로 개발될 제 5 세대 컴퓨터는 회로소자가 더욱 집적화하여 분자나 원자 크기의 지능을 갖는 소자가 개발될 것이며, 컴퓨터의 처리속도도 현재보다 훨씬 빨라질 것이다. 또한 인간의 지적인 보조자나 인간의 일부를 대신하는 기능을 갖춘 컴퓨터도 나타날 것이다.
데이터에 의한 분류
데이터를 표현하는 방법에 따라 디지털 컴퓨터·아날로그 컴퓨터·하이브리드 컴퓨터로 나뉜다.
⑴ 디지털 컴퓨터:실제 숫자나 수치적으로 코드화한 문자의 표현으로 이루어진 자료를 처리하는 컴퓨터. 일반적으로 컴퓨터라고 하면 디지털 컴퓨터를 말한다. 사칙연산이 바탕이 되며, 연속적인 양의 표현이 불가능하므로 자료의 표현에 오차가 생길 수도 있다.
⑵ 아날로그 컴퓨터:길이·전압·전류 등과 같은 연속적인 양의 자료를 즉시 처리하는 컴퓨터. 자료를 변환시키지 않고 측정장치로부터 직접 입력할 수 있다. 자료의 측정과 비교를 즉시 처리하므로 공장의 자동기기 제어에 이용되지만, 저장기능이 없고 정밀도와 범용성이 디지털 컴퓨터보다 떨어진다.
⑶ 하이브리드 컴퓨터:아날로그 기능과 디지털 기능을 하나의 컴퓨터 시스템에 혼합한 형태의 컴퓨터. 아날로그 자료를 입력하여 디지털 처리를 하고자 할 때에 유용하다.
그 밖의 분류
보통 컴퓨터는 일반적으로 용량·처리속도·가격 등을 기준으로 퍼스널·미니·마이크로·메인프레임 등으로 구분된다. 그러나 소형 기종의 기능이 점점 강화되어 상위기종의 기능을 겸비함에 따라 이러한 구분은 모호해지고 있으며, 소형·대형 등 2종류로 양극화하는현상을 보이고 있다. 1965년 미국 덱(DEC)회사가 개발한 12비트 소형 컴퓨터 PPD-8에서 비롯된 8·12·16·24·32 비트의 소형 컴퓨터를 보통 미니컴퓨터라 하는데, 최근에는 중형 규모의 기능까지 갖추고 있어서 절대적인 정의를 내리기는 어렵다. 마이크로컴퓨터는 고밀도 직접회로칩에 의해서 구성된 마이크로프로세서를 핵심으로 하여 컴퓨터로서의 기능을 수행하게 한 것이다. 마이크로컴퓨터의 명령어체계·번지지정방식 등은 대형컴퓨터와 크게 다른 점이 없지만, 논리회로의 분산형식·처리속도·크기·가격 등에서 많이 다르다. 마이크로컴퓨터는 사용 목적과 규모에 따라 단일기판 컴퓨터, 제어용 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 사무용 컴퓨터로 나뉜다. 교육분야에서도 60년대부터 컴퓨터를 이용하여 학습자 및 교수자의 활동을 효과적으로 진행해 나가는 학습이나 시스템의 개발이 시작되었다. 80년대에는 퍼스널컴퓨터의 보급으로 더욱더 적극적으로 응용되었는데 컴퓨터보조교육(CAI;computer assisted instruction)이나 학습과정의 성취도 분석과 교육평가 등 각종 학교 사무에 이용하는 컴퓨터보조교육관리(CMI;computer managed instruction)가 있다. 고해상도 표시 화면을 몇 개로 구분할 수 있는 멀티윈도 기능과 다음에 해야 할 동작을 그림이나 문자를 써서 메뉴(일람표)로 나타내는 기능을 갖추고 화면 속의 장소를 가리키기 위한 포인팅 장치로서 마우스나 디지타이저가 있다. 개인용 파일을 보관하기 위하여 100메가바이트 정도의 자기디스크를 가져 컴퓨터네트워크에 접속할 수 있는 퍼스널컴퓨터를 슈퍼퍼스널컴퓨터 또는 워크스테이션이라고 한다. 슈퍼퍼스널컴퓨터의 원조(元祖)는 제록스회사의 알토(ALTO) 시스템이다.
컴퓨터 기술의 발전 동향
오늘날 컴퓨터는 만들어진 지 불과 40여 년 사이에 어떤 기술부문에서도 유례를 찾아볼 수 없을 정도로 급성장하였다. 그러나 점차 다양해지고 있는 새로운 욕구를 충족시킬 기술력은 한계를 보이기 시작하고 있는데, 이를 유형별로 집적도·처리속도·추론기능·신뢰도·환경적응력으로 나눌 수 있다. 기존 컴퓨터의 주소재인 실리콘 소자의 집적도는 현재의 기술수준으로 볼 때 거의 한계에 도달하여 분자단위나 원자단위의 소자를 기초로 하는 분자 컴퓨터 또는 원자 컴퓨터의 개념이 나타나고 있다. 특히 분자소자는 생물 컴퓨터와 밀접한 관련을 맺고 있다. 또한 지금까지의 컴퓨터는 미리 정해진 프로그램에 따라 주어진 자료에 의해서만 문제의 분석이 가능하여 인간과 같이 능동적으로 문제를 해결할 수 있는 능력이 없다. 이를 해결하기 위하여 인공지능 컴퓨터가 연구되고 있다.
⑴ 슈퍼컴퓨터:우주개발·원자력·기상해석 등 빠른 계산이 요구되는 과학기술 분야에 쓰이는 컴퓨터. 범용 컴퓨터 초대형기의 처리 속도는 5∼10MFLOPS(메가 플롭스)인데, 슈퍼컴퓨터는 50∼100MFLOPS 정도로 매우 빠르다. 조셉슨 소자, 초격자소자 등이 실용화되면 고속화의 한계로 여겨지는 1000GFLOPS(기가 플롭스)의 기종도 개발될 것으로 기대된다.
⑵ 광컴퓨터:전자적인 처리 대신 빛 자체로 정보의 입출력·정보처리·저장 등이 이루어지는 컴퓨터 시스템. 기존 컴퓨터가 받는 전자기파의 유도장애를 해소하는 컴퓨터이다. 넓은뜻으로 가장 핵심이 되는 연산처리가 빛으로 이루어지는 컴퓨터이다. 기존의 컴퓨터에 비하여 다음과 같은 우수한 장점이 있어 미래의 컴퓨터로 주목받고 있다. ① 처리속도가 현재의 슈퍼컴퓨터보다 최소한 1000배 이상 빨라진다. ② 단위칩당 정보집적도가 실리콘 소재보다 10배까지 높아질 수 있다. ③ 전자기파의 유도장애를 받지 않으므로 시스템이 안정적이다. ④ 기본소재가 모래이므로 자원이 풍부하고 값이 싸다. ⑤ 빛 자체의 속성 때문에 2차원 또는 3차원의 병렬처리가 쉽다. ⑥ 영상·화상정보처리가 쉽다.
⑶ 바이오컴퓨터:인간두뇌의 구조·기능 등을 모방하거나 직접 이용함으로써 기존의 컴퓨터가 갖지 못한 기능을 갖도록 하는 컴퓨터이다. 바이오컴퓨터의 개념은 아직 명확히 정립된 것은 아니지만 최근 컴퓨터 기술이 한계에 이르렀다는 인식과 1970∼80년대 생물공학의 눈부신 발전으로 전자공학·생물공학 기술의 융합이 진행되고 있다. 바이오컴퓨터를 실현시키는 방법으로 ① 기존의 무기소재를 이용하여 생물기능만을 모방하는 방법 ② 유기소재를 이용하는 방법 ③ 생물의 두뇌세포를 직접 이용하는 방법 등이 단계적으로 연구될 전망이다.
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