CPU Design HOW-TO
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3. CPU 박물관과 실리콘 동물원

CPU 박물관

3.1. 어떻게 트랜지스터가 동작하는가?

마이크로 프로세서(Microprocessor)는 우리들이 매일 사용하는 TV, 자동차, 라디오, 각종 가전제품들 (컴퓨터는 말할 것도 없다)과 같은 많은 제품의 핵심 부품이다. 트랜지스터(Transistor)는 이러한 마이크로 프로세서의 중심 부품이다. 트랜지스터는 아주 간단하게 보일지 모른다. 하지만, 트랜지스터 개발에는 수십년의 고통스런 연구과정이 필요했다. 트랜지스터가 개발되기 전에는, 컴퓨터에서의 정보처리를 위해 비효율적인 진공관과 기계적인 스위치들이 사용되었다. 1958년, 몇몇 공학자들 (그들 중 한명은 Intel의 설립자 Robert Noyce였다)은 두개의 트랜지스터를 하나의 실리콘 결정(silicon crystal)에 넣는데 성공하였고, 마이크로 프로세서로의 길을 열어준 최초의 집적 회로(integrated circuit)를 창조하였다.

트랜지스터는 아주 작은 전자 스위치이다. 이들이 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 마이크로 프로세서를 구성하는 단위가 된다. 일반적인 스위치들과 마찬가지로, 트랜지스터는 On/Off의 두가지 동작 상태를 갖는다. 트랜지스터의 On/Off, binary 동작 특성이 컴퓨터의 정보 처리를 가능케 한다.

어떻게 조그만 전자 스위치들이 동작하는가?:

컴퓨터가 이해할 수 있는 유일한 정보는 On/Off로 스위치 되는 전기 신호뿐이다. 트랜지스터를 알기 위해서는, 전자 회로들(electronic circuit)이 어떻게 스위칭이 되는지를 이해하는 것이 필요하다. 스위칭 전자회로는 두 부분으로 나누어 볼 수 있다. 하나는 전류가 흐를 수 있는 회로상의 길 (일반적으로 전선이 된다)이다. 다른 하나는 회로상의 길을 개방하거나 폐쇄함으로써 전류의 흐름을 시작시키거나 중단시킬 수 있는 스위치 device이다. 트랜지스터는 기계적인 움직임 없이 전기 신호에 따라 켜지고 꺼진다. 이런 트랜지스터의 특성은 마이크로 프로세서의 동작에 큰 이점을 제공한다.

3.2. 어떻게 트랜지스터가 정보를 처리하는가?

트랜지스터와 같이 두개의 상태만을 가지고 있는 것들을 binary라고 부른다. 트랜지스터의 켜진 상태를 1이라 표현하고 꺼진 상태를 0이라 표현한다. 여러개의 트랜지스터에 의해 생성된 1과 0의 연속된 패턴으로 문자, 숫자, 색과 그래픽 정보들이 표현될 수 있다. 이것이 binary 표현법이다.

3.3. binary 정보 표현

이름을 binary로 표기해 보라:

각 알파벳의 문자들을 binary로 표현할 수 있다. 아래는 JOHN이라는 이름과 그에 대응되는 binary 표현을 나타내고 있다. 
	J  0100 1010
	O  0100 1111
	H  0100 1000
	N  0100 1110
그래픽, 오디오, 비디오와 같은 더 복잡한 정보들도 트랜지스터의 동작에 의해 binary 혹은 On/Off로 만들어질 수 있다.

아래의 알파벳과 그에 대응되는 binary 표현 도표를 참고하라.

표 1. 알파벳과 그에 대응되는 binary 표현 도표

Character Binary Character Binary
A 0100 0001 N 0100 1110
B 0100 0010 O 0100 1111
C 0100 0011 P 0101 0000
D 0100 0100 Q 0101 0001
E 0100 0101 R 0101 0010
F 0100 0110 S 0101 0011
G 0100 0111 T 0101 0100
H 0100 1000 U 0101 0101
I 0100 1001 V 0101 0110
J 0100 1010 W 0101 0111
K 0100 1011 X 0101 1000
L 0100 1100 Y 0101 1001
M 0100 1101 Z 0101 1010

3.4. 반도체(Semi-conductor)란 무엇인가?

도체(Conductor)와 부도체(insulator) :

금속과 같은 많은 물질들은 전류(electrical current)를 흘릴 수 있다. 이들이 도체(Conductor)이다. 전류를 흘리지 못하는 물질들은 부도체(insulator)라 불린다. 대부분 반도체(Semi-conductor)의 기본 재료가 되는 순수한 실리콘(pure silicon)은 불순물(impurity)의 주입정도에 따라 전도율(conductivity)이 변조(modulation)될 수 있기 때문에 반도체라 불린다.

3.4.1. 트랜지스터의 해부학

반도체와 전류

실리콘에 적절한 종류의 불순물(impurity)을 주입함으로써 결정 구조를 변경시킬 수 있고, 전도율을 강화시킬 수 있다. 붕소(boron)계열의 불순물이 주입된 반도체를 p형 반도체라 한다 (p는 양전하나 정공(hole)을 뜻한다). 인(phosphorus)계열의 불순물이 주입된 반도체를 n형 반도체라 한다 (n은 음전하나 다수 자유전자(major free electron)를 뜻한다).

3.4.2. 트랜지스터의 작동

트랜지스터의 작동 - 트랜지스터의 On/Off 상태

트랜지스터는 source, gate, drain의 세 단자로 이루어진다.

n형 트랜지스터는 양으로 대전된 p형 실리콘 우물위에 음으로 대전된 source와 drain이 떠있는 구조로 되어있다. [1]

gate에 양전압이 가해지면, p형 실리콘의 전자들이 gate 아래의 영역으로 이끌려서 source와 drain 사이에 전자 채널이 형성한다.

drain에 양전압이 가해지면, 전자들이 source에서 부터 drain으로 휩쓸려가게 되어 트랜지스터가 켜진다.

gate의 전압이 제거되면, source와 drain 사이의 영역에 전자가 이끌리지 않게 되어 길이 끊어지고, 트랜지스터가 꺼진다.

3.4.3. 트랜지스터 효과

트랜지스터 효과 - 마이크로 프로세서가 우리의 삶을 어떻게 변모시키는가?

트랜지스터의 binary 특성은 마이크로 프로세서에게 워드 프로세싱이나 비디오 편집등의 다양한 작업을 수행할 수 있는 능력을 부여한다. 마이크로 프로세서는 하나의 칩에서 1초에 수십억개의 인스트럭션을 수행할 수 있을 정도로 발전하였다. 자동차, 의료 장비, 텔레비젼, 컴퓨터에 우주 왕복선까지 마이크로 프로세서를 사용한다. 이것은 binary 정보를 처리하는 트랜지스터 덕분이다.

주석

[1]

이는 FET(Field Effect Transistor) 트랜지스터의 구조에 대한 설명이다. 트랜지스터의 종류에는 크게 BJT(Bipolar Junction Transistor)와 FET가 있으며, 현재의 집적회로에는 FET 중에서도 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)가 주로 사용되고 있다.

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