디지털 컴퓨터

작동요소

전형적인 디지털 컴퓨터 시스템은 4개의 기본적인 작동요소로 이루어져 있는데, ① 입출력 장치, ② 주(主)기억장치, ③ 제어장치, ④ 산술·논리 연산장치이다.

데이터와 프로그램 명령어를 컴퓨터에 입력하고 처리과정의 결과를 알아내는 데는 여러 장치가 사용되는데, 이중 가장 보편적인 것 중의 하나가 화상표시단말기(video display terminal)이다. 이것은 전자 키보드와 음극선관으로 구성되어 있는데 이런 유형의 기구는 정보를 입력하거나 검색하는 것이 모두 가능하다. 입력장치에서 컴퓨터로 들어온 정보는 주기억장치(main memory)에 저장되는데, 즉시 사용해야 하는 정보가 아니면 보조기억장치(auxiliary storage device)에 저장된다. 제어장치는 기억장소로부터 명령어를 순서대로 읽어들여 산술·논리 연산장치(arithmetic-logic unit/ALU)에 적당한 명령어를 전달해주며, 또한 입출력장치의 상이한 작동속도를 ALU의 속도에 맞추어서 데이터가 컴퓨터 시스템 내에서 적절히 이동될 수 있게 한다. ALU는 입력되는 데이터에 적합한 산술·논리 알고리듬(algorithm)을 고속으로 수행하는데, 수행시간은 대개의 경우 1ns(nanosecond：10억 분의 1초) 이하이다. 대부분의 디지털 컴퓨터에서 주기억장치·제어장치·ALU가 모여 중앙처리장치(central processing unit)를 이루며 입출력장치와 보조기억장치는 주변장치를 이룬다.

발전

프랑스의 블레즈 파스칼과 독일의 고트프리트 빌헬름 라이프니츠가 17세기에 기계식 디지털 계산기를 발명했다.

그러나 진정한 의미의 디지털 컴퓨터는 영국의 발명가인 찰스 배비지가 고안했다고 인정되고 있다. 1830년대에 배비지는 해석 엔진(analytical engine)이라는 것을 고안했는데, 이것은 기본적인 산술연산들이 자체 계산에 따른 판단과 결합하도록 설계된 기계식 장치였다.

그의 구상은 현대의 디지털 컴퓨터가 가지는 기본요소를 대부분 포함하고 있는데, 예를 들면 순차 제어(sequential control：분기와 반복을 포함하는 프로그램식 제어), 산술 장치와 기억장치, 자동출력장치와 같은 것이다. 그런데 배비지의 계획은 결국 실현되지 못하고 한 세기가 훨씬 지나서 그의 기록이 재발견될 때까지 사람들에게서 잊혀졌다. 디지털 컴퓨터의 발전에 보다 중요한 공헌을 한 것은 영국의 수학자이자 논리학자인 조지 불의 연구이다. 1800년대 중반에 씌어진 여러 편의 소논문에서 불은 대수학에서 쓰이는 기호와, 논리적 형식이나 3단논법(연역법)을 표현하는 기호들 간의 유사성을 지적했다.

0과 1로써 연산하는 그의 형식론은 불대수의 기초가 되었는데 컴퓨터 스위칭 이론과 절차들이 여기에 기초를 두고 있다(불대수).

1939년 미국의 수학자이며 물리학자인 존 애터너소프가 전자기계적인 디지털 컴퓨터의 실험적인 원형(原型)을 제작했으며, 1944년 하워드 에이컨과 IBM의 기술자 여러 명이 하버드 마크 1(Harvard Mark I)을 완성하였는데 이 기계는 데이터 처리연산을 대부분 전기 계전기(스위칭 기구) 방식으로 수행했다.

하버드 마크 1이 개발된 이후 디지털 컴퓨터는 빠른 속도로 발전했다. 논리회로의 진보로 대변되는 컴퓨터 장비의 진보를 몇 단계의 세대로 나누어 구분하는데 각 세대는 비슷한 기술수준을 가진 여러 컴퓨터를 포함한다.

1946년 펜실베이니아대학의 J. 프레스퍼 에커트와 존 W. 모클리가 에니악(electronic numerical integrator and calculator/ENIAC)을 제작하였는데 이는 최초의 범용 컴퓨터이며, 진정한 전자식 디지털 컴퓨터였다.

애터너소프의 기계와 마찬가지로 이 기계는 능동논리 소자로서 계전기 대신에 진공관을 사용했는데 이로 인하여 작동속도가 상당히 빨라졌다. 1947년 헝가리 태생의 수학자인 존 폰 노이만이 프로그램 내장식 컴퓨터의 개념을 도입했다. 데이터뿐만 아니라 명령어부호를 전기적으로 내용의 변경이 가능한 기억장소에 저장하려고 하는 그의 생각은 에드박(electronic discrete variable automatic computer/EDVAC)으로 구현되었다.

컴퓨터의 제2세대는 트랜지스터를 내장한 디지털 컴퓨터가 상업적으로 이용될 수 있었던 1950년대 후반부터 시작되었다.

이런 반도체 소자의 유형은 이미 1948년 발명되었지만 진공관을 대체할 수 있기까지는 10년 이상의 연구 개발이 필요했다. 진공관에 비해 보다 작은 크기, 더 높은 신뢰성, 보다 적은 전력소모 때문에 트랜지스터는 거의 모든 면에서 진공관에 비해 월등했다. 이를 컴퓨터 회로에 사용함으로써 효율·크기·속도가 상당히 진보된 컴퓨터를 제작할 수 있게 되었다. 1960년대 후반과 70년대에 컴퓨터 하드웨어는 괄목할 만한 진보를 거두었다. 첫번째의 주목할 만한 돌파구는 작은 실리콘 칩(chip) 위에 수백 개의 트랜지스터·저항기·다이오드를 내장하는 집적회로의 제작이었다.

이 마이크로 회로에 의해서 고속도·고용량·고신뢰도를 가지는 메인 프레임(대용량) 컴퓨터를 비교적 저렴한 가격으로 만들 수 있었다. 마이크로 전자공학의 결과로 개발된 제3세대 컴퓨터의 또다른 형태는 미니 컴퓨터인데, 이는 표준의 메인 프레임에 비해서 크기는 대폭 작아졌지만 과학연구소 내에 있는 실험기구 전체를 제어할 만큼 충분한 성능을 가지고 있다.

고밀도 집적회로(LSI)의 기술이 발전을 거두면서 어린 아이의 손톱만한 실리콘 칩 위에 수천 개의 트랜지스터와 이와 관련된 부품을 집적하는 것이 가능해졌다.

이러한 마이크로 회로 기술은 컴퓨터 산업을 혁신시킨 2가지 소자를 생산하게 했는데, 이중 하나는 마이크로프로세서이다. 이는 중앙연산장치에 있는 산술·논리·제어 회로를 모두 포함하는 집적회로이다. 이것의 개발이 마이크로컴퓨터의 발달을 가져왔다(→ 색인：마이크로프로세서). 마이크로컴퓨터는 휴대용 텔레비전에 비해 크기는 작지만 상당한 계산 능력을 가지고 있다.

LSI에서 발달한 또다른 소자는 반도체 기억소자인데 이는 3~4개의 칩으로만 구성되어 있지만 미니 컴퓨터와 마이크로컴퓨터에서 충분한 기억 용량을 제공한다. 반도체 기억소자는 점차 많은 수의 메인 프레임에서 사용되기 시작했으며 짧은 접근시간과 고용량의 기억능력 때문에 특별히 고속이 요구되는 응용에 널리 사용되고 있다.

1980년대의 디지털 컴퓨터는 제4세대 컴퓨터로 자주 불리는데 이들의 특징은 초고밀도 집적회로(VLSI)의 공헌을 들 수 있다.

새로운 설계기술과 제작기술로 마이크로프로세서, 기억소자, 보조 칩(즉 마이크로프로세서와 입출력장치와의 접속을 도와주는 것)의 회로 밀도를 크게 높여 주어서 VLSI 칩 1개에는 대개 수십만 개의 전자 부품을 5㎟도 채 되지 않는 실리콘 칩 위에 포함하고 있다. 1980년대 초기에 생산된 마이크로컴퓨터의 대다수는 프로세서·기억장치·인터페이스 기능을 모두 1개의 칩에 설치하였으며, 이러한 장비 중 가장 정교한 것은 크기가 호주머니 정도밖에 되지 않지만 산업용 공작기계와 고성능의 제트 비행기를 조정하는 것이 가능하다.