컴퓨터 구조의 발전 과정

주요 부품들의 발전 과정

릴레이(relay) → 트랜지스터 → 반도체 집적회로(IC)

발전된 특성들:

처리속도 향상

저장용량 증가

크기 감소

가격 하락

신뢰도 향상

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초기 컴퓨터들의 근본적인 설계 개념과 동작 원리가 현대의 컴퓨터들과 거의 같음

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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 방법으로 곱셈과 나눗셈을 수행

이후 많은 기계들의 조상이 됨

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Difference Engine

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

표에 있는 수들을 자동적으로 계산하고, 그 결과를 금속천공기를 거쳐서 프린트

덧셈과 뺄셈만 수행 가능

Analytical Engine

19세기 초, Charles Babbage(영국)

주요 특징들

어떤 수학 연산도 자동적으로 수행할 수 있는 일반 목적용 계산 기계

프로그래밍 가능 : 프로그램 언어 사용

프로그램의 실행 순서 변경 가능

수의 부호 검사를 이용한 조건 분기

제어카드 이용을 이용한 실행 순서 변경

문제점

주요 부품들이 기계적인 장치들이었기 때문에 속도가 느렸고 신뢰도가 낮음

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Analytical Engine의 기본 구조

산술연산장치 : CPU

기억장치 : Store

입력장치: 카드판독기

출력장치: 프린터, 카드 천공기

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ENIAC

Electronic Numerical Integrator And Computer

1940년대 초, von Neumann(폰 노이만)

펜실바니아 대학에서 개발한 진공관을 사용한 최초의 전자식 컴퓨터

문제점 : 프로그램의 저장과 변경 불가능

폰 노이만의 설계 개념(Stored-program 개념)

2진수 체계(binary number system)를 사용

프로그램과 데이터를 내부에 저장

EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer) 개발을 위하여 1945년에 발표

IAS 컴퓨터

1952년, 폰 노이만

'stored-program' 컴퓨터

주요 구성요소

프로그램 제어 유니트(Program Control Unit) : 명령어 인출/해독

산술논리연산장치(ALU)

주기억장치 : 명령어와 데이터를 모두 저장

입출력장치

주요 특징

주기억장치로부터 한 번에 두 개씩 명령어 인출

하나는 즉시 프로그램 제어 유니트로 보내져서 실행

다른 하나는 명령어 버퍼에 저장되어 있다가 다음 명령어 실행 사이클에서 실행

최근 프로세서들의 명령어 선인출(instruction prefetch)과 같은 개념

IAS 컴퓨터의 구조

폰 노이만 구조

von Neumann Architecture,

프로그램 코드들을 기억장치에 저장된

순서대로 실행하며, 그 주소는 CPU의

내부 레지스터인 프로그램 카운터

(program counter)에 의하여 지정

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주요 컴퓨터 부품들의 발전 경위

트랜지스터(transistor)

초기(제1세대) 전자식 컴퓨터의 핵심 부품인 진공관을 대체한 전자 부품

진공관보다 작고 싸며 더 적은 열을 발산

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

제2세대 컴퓨터로 분류  제1세대 컴퓨터들의 부품은 진공관

초기 컴퓨터들은 약 1000 개의 트랜지스터들로 구성

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집적 회로(Integrated Circuit: IC)

수만 개 이상의 트랜지스터들을 하나의 반도체 칩에 집적시킨 전자 부품

제3세대 컴퓨터로 분류

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IC의 제조 과정

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집적도에 따른 IC의 분류

SSI(Small Scale IC)

수십 개의 트랜지스터들이 집적되는 소규모 IC

최근에는 주로 기본적인 디지털 게이트(digital gate)들을 포함하는 칩

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MSI(Medium Scale IC)

수백 개의 트랜지스터들이 집적되는 IC

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

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LSI(Large Scale IC)

수천 개의 트랜지스터들이 집적되는 대규모 IC

8-비트 마이크로프로세서 칩이나 소규모 반도체 기억장치 칩

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VLSI(Very Large Scale IC)

수만 내지 수십만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 초대규모 IC

마이크로프로세서 칩들과 대용량 반도체 기억장치 칩

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ULSI(Ultra Large Scale IC)

수백만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 32-비트급 이상 마이크로프로세서 칩들과 수백 메가비트 이상의 반도체 기억장치 칩들 및 앞으로 출현할 고밀도 반도체 칩들을 지칭하기 위한 용어지만, 아직 일반적으로 통용되는 용어는 아님

IC 사용에 따른 이점

전기적 통로가 짧아짐  동작 속도가 크게 상승

컴퓨터 크기의 감소

칩 내부의 회로들간의 상호연결  부품들의 신뢰성 향상

전력 소모 감소 및 냉각 장치의 소형화

컴퓨터 가격 하락

제4세대 컴퓨터 시대의 시작

개인용 컴퓨터 출현

초고속 슈퍼컴퓨터 개발

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컴퓨터시스템의 분류와 발전 동향

1) 개인용 컴퓨터 (PC)

특징

소형, 저가

성능 : 십년 전의 대형 메인프레임 컴퓨터의 성능을 능가

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주요 발전 동향

매 2 ~ 3 년마다 성능이 개선된 새로운 마이크로프로세서가 등장하고, 그에 따라 새로운 PC 모델 출현

주변 요소들(캐쉬, MMU, 산술보조프로세서 등)이 CPU 칩에 내장됨에 따라 속도 및 신뢰도가 향상

CPU 구조가 다수의 ALU들 혹은 명령어 실행 유니트들을 포함하는 슈퍼스칼라(superscalar) 구조로 발전함에 따라, 여러 명령어들의 동시 실행 가능

분기 예측(branch prediction), 동적 실행(dynamic execution) 기법 등이 사용됨에 따라 하드웨어 이용률이 높아지고, 따라서 처리 속도가 더욱 향상

문자 이외의 다양한 정보들에 대한 입력과 출력, 저장 및 처리 능력을 보유하게 됨에 따라 멀티미디어 PC로 발전

보다 더 편리한 사용자 인터페이스를 제공해 주는 시스템 소프트웨어들 출현(Windows 95/98/ME/2000/XP)

고속 입출력장치들의 인터페이스를 위한 새로운 버스 규격 제안

주기억장치와 보조저장장치의 용량이 크게 증가

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2) 중형급 컴퓨터시스템

워크스테이션(workstation)

CPU : 32-비트 혹은 64-비트 마이크로프로세서 사용

고속 그래픽 처리 하드웨어 포함

주요 응용 : 컴퓨터를 이용한 설계(CAD), 시뮬레이션 등

OS : UNIX

슈퍼미니컴퓨터(Super-minicomputer)

시스템 구조 : 다중프로세서(multiprocessor) 구조

CPU의 수 : 20 ~ 30 개

성능 : VAX-11 미니컴퓨터 성능의 수십 배 이상

OS : UNIX

다운사이징(downsizing) 주도

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

다중프로세서시스템의 구조

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3) 메인프레임 컴퓨터(mainframe computer)

IBM 360 및 370 계열, 3081, 3090 등으로 계속 발전

대용량 저장장치 보유

다중 I/O 채널을 이용한 고속 I/O 처리 능력 보유

대규모 데이터베이스 저장 및 관리용으로 사용

최근 성능과 가격면에서 슈퍼미니급 컴퓨터들과 경쟁하고 있으며,점차적으로 시장 점유율 하락 중

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4) 슈퍼컴퓨터(supercomputer)

현존하는 컴퓨터들 중에서 처리 속도와 기억장치 용량이 다른 컴퓨터들에 비하여 상대적으로 월등한 컴퓨터 시스템들

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분류 기준 : 계속적으로 상승

최초의 슈퍼컴퓨터인 CRAY-1의 속도는 100 MFLOPS

최근의 슈퍼컴퓨터들의 속도는 수백 GFLOPS 이상

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주요 응용 분야들

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

파이프라인 슈퍼컴퓨터(pipeline supercomputer)

한 CPU 내에 다수의 연산 장치들이 포함

각 연산 장치는 고도의 파이프라이닝 구조를 이용하여 고속 벡터 계산 가능

대표적인 시스템들 : CRAY Y-MP, CRAY-2, Fujitsu VP2000, VPP500 등

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대규모 병렬컴퓨터(massively parallel computer: MPP)

한 시스템 내에 상호 연결된 수백 혹은 수천 개 이상의 프로세서들 포함

프로세서들이 하나의 큰 작업을 나누어서 병렬로 처리

시스템 구조의 예 : Thinking Machine사의 CM-1 시스템

특징 : 프로세서 수 = 최대 65,536(216)개

프로세서 내부 구조

매우 간단한 구조의 프로세서 16개가 상호 연결되어 하나의 칩에 집적되어 있으며, 그러한 칩들이 수백개가 모여 한 프로세서 모듈을 구성

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MPP의 예: CM-1 병렬컴퓨터의 프로세서 모듈