컴퓨터의 트랜지스터: 디지털 세계에 전력을 공급하는 작은 스위치

Source: Dev.to

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트랜지스터란?

A transistor는 전류 흐름을 제어할 수 있는 아주 작은 전자 부품입니다. 컴퓨터에서 트랜지스터는 주로 스위치와 증폭기 역할을 합니다.

간단히 말하면, 트랜지스터는 다음을 할 수 있습니다:

• 전류가 흐르도록 허용합니다 (ON)
• 전류 흐름을 차단합니다 (OFF)

이 ON/OFF 동작은 이진 논리에 직접 매핑됩니다:

• ON → 1
• OFF → 0

컴퓨터의 모든 계산, 비교, 그리고 명령은 궁극적으로 매우 빠르게 일어나는 수십억 개의 이러한 작은 ON/OFF 결정으로 축소됩니다.

트랜지스터가 진공관을 대체한 이유

트랜지스터가 등장하기 전, 컴퓨터는 진공관을 사용해 전기 신호를 제어했습니다. 진공관은 작동했지만 심각한 문제점이 있었습니다:

• 매우 크고 부피가 큼
• 많은 전력을 소비함
• 과도한 열을 발생시킴
• 자주 고장남

벨 연구소에서 1947년에 트랜지스터가 발명되면서 모든 것이 바뀌었습니다. 진공관에 비해 트랜지스터는 다음과 같은 장점을 가졌습니다:

• 훨씬 작음
• 더 신뢰성이 높음
• 더 빠름
• 에너지 효율이 높음
• 대량 생산이 저렴함

이러한 혁신 덕분에 현대의 컴퓨터, 노트북, 스마트폰이 가능해졌습니다.

트랜지스터 작동 원리 (개념적으로)

트랜지스터 뒤의 물리학은 복잡해질 수 있지만, 핵심 아이디어는 간단합니다.

트랜지스터는 세 개의 단자를 가집니다:

• 입력 (제어)
• 출력
• 공통 기준 (그라운드 또는 전원)

입력에 가해지는 작은 전기 신호가 출력에서 더 큰 전류 흐름을 제어합니다.

디지털 컴퓨터에서는 이 동작을 이진 스위치로 사용합니다:

• 제어 신호가 존재하면 → 전류가 흐릅니다
• 제어 신호가 없으면 → 전류가 멈춥니다

많은 트랜지스터를 결합함으로써 논리적인 의사결정 시스템을 구축할 수 있습니다.

트랜지스터와 논리 게이트

단일 트랜지스터도 유용하지만, 트랜지스터를 조합할 때 진정한 힘이 발휘됩니다.

트랜지스터 그룹은 논리 게이트를 형성하며, 예를 들어:

• AND
• OR
• NOT
• NAND
• NOR
• XOR

이러한 논리 게이트는 다음의 기본 구성 요소입니다:

• Adders
• Multipliers
• Registers
• Memory cells
• Control units

CPU의 모든 명령—if 문이든, 루프이든, 함수 호출이든—은 트랜지스터로 만든 논리 게이트 네트워크를 사용해 실행됩니다.

CPU 내부의 트랜지스터

현대 프로세서는 단일 칩에 수십억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있습니다.

• 초기 CPU는 수천 개의 트랜지스터를 가졌습니다
• 현대 CPU와 GPU는 수백억 개를 가지고 있습니다

CPU 내부에서 트랜지스터는 다음을 구축하는 데 사용됩니다:

• 산술 논리 유닛 (ALUs)
• 레지스터
• 캐시 메모리
• 명령 디코더
• 제어 로직

각 클럭 사이클마다, 방대한 수의 트랜지스터가 정확한 패턴으로 ON 및 OFF 전환되어 명령을 실행합니다.

트랜지스터와 메모리

트랜지스터는 연산에만 사용되는 것이 아니라 메모리에도 필수적입니다.

SRAM (캐시 메모리)

• 비트당 여러 개의 트랜지스터 사용
• 매우 빠름
• CPU 캐시로 사용

DRAM (주 메모리)

• 트랜지스터와 함께 커패시터 사용량이 적음
• SRAM보다 느림
• 시스템 RAM으로 사용

플래시 메모리 (SSD, USB)

• 전원이 없어도 데이터를 유지할 수 있는 트랜지스터 사용
• 비휘발성 저장소

트랜지스터가 없었다면 이러한 메모리 기술은 존재할 수 없었습니다.

무어의 법칙과 트랜지스터 스케일링

수십 년 동안, 칩 위의 트랜지스터 수는 대략 2년마다 두 배가 되며, 이를 무어의 법칙이라고 합니다.

이로 인해:

• 더 빠른 컴퓨터
• 낮은 전력 소비
• 더 작은 장치
• 연산당 낮은 비용

물리적 한계가 이 추세를 늦추고 있지만, 트랜지스터 혁신은 다음을 통해 계속되고 있습니다:

• 더 작은 제조 공정
• 3D 칩 설계
• 특수 목적 프로세서

트랜지스터가 프로그래머에게 중요한 이유

고수준 코드를 작성하더라도 트랜지스터는 여전히 중요합니다.

트랜지스터를 이해하면 다음에 도움이 됩니다:

• 성능 제한을 인식한다
• 저수준 최적화가 왜 작동하는지 이해한다
• 컴퓨터 아키텍처를 보다 효과적으로 학습한다
• 시스템 수준 코드를 더 잘 작성한다
• 메모리, 캐시, 동시성에 대해 논리적으로 사고한다

가장 낮은 수준에서는, 여러분이 작성하는 모든 프로그램이 트랜지스터 스위칭 패턴으로 변환됩니다.

결론

트랜지스터는 디지털 시대의 보이지 않는 엔진이다. 트랜지스터는 전기를 논리로, 논리를 연산으로, 연산을 단순 계산기부터 고급 인공지능에 이르는 모든 것으로 변환한다.

모든 앱, 웹사이트, 게임, 운영 체제는 궁극적으로 수십억 개의 작은 트랜지스터가 믿을 수 없을 만큼 빠른 속도로 ON 및 OFF를 전환하는 것에 의존한다. 이 기반을 이해하면 컴퓨터가 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 깊은 통찰을 얻을 수 있다.

소프트웨어가 우리의 아이디어를 형성할 수는 있지만, 트랜지스터가 그 아이디어를 현실로 만든다.