반도체 기술과 프로세서 기술의 발전

컴퓨터의 발전

컴퓨터 발전은 두 가지 기술의 발달과 함께 이루어 졌다.

• 반도체 기술(Semiconductor Technology)의 발달
• 프로세서 설계 기술의 발달

 

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반도체 기술의 발달

Transistor

컴퓨터는 transister로 만들어졌으며, 이 transister는 semiconductor technology(반도체 기술)을 이용해 만들어졌다.

 

트랜지스터는 1947년 Bell lab에서 발명되었고 상용화까지는 10년이 소요되었다.

트랜지스터의 제조 기술의 핵심은 최소선폭은 작게하고 집적도는 높이는 것이다.

이렇게 함으로써 속도와 성능을 개선할 수 있다.

 

Transistor와 반도체 제조 공정에 대한 내용은 여기(클릭)을 참고하자.

Transistor와 반도체 제조 공정

 

반도체 기술 (Semiconductor Technology)

실용적이고 빠른 컴퓨터는 트랜지스터 기술과 IC 기술의 발전으로 만들어질 수 있었다.

 

IC(Integrated Circuit)은 여러 독립된 요소를 집적해서 하나의 칩으로 만든 것이다.

이를 이용하면 각각의 트랜지스터 칩을 이용해서 회로를 만들 때 더 작게 만들 수 있다.

IC 기술로 만들어진 것은 SSI(Small Scale Integration), MSI(Medium Scale Integration), LSI(Large Scale Integration), VLSI(Very Large Scale Integration)들이 있으며, 발전할 수록 더 많은 부품들이 집적되어있다.

 

반도체 기술은 exponential(기하급수적)하게 성장해왔다.

Minimum feature size(최소선폭)은 exponential decrease를 보여주었다.

그에 따라 speed와 density(집적도)는 exponential increase을 보여주었다.

 

 

Moore's law : 반도체 기술의 exponential growth의 대명사

* 컴퓨터과학에서 law란, 관찰의 결과를 말한다.

• 18개월마다 칩 하나 당 transistor의 수는 배가 되어간다.
• 이를 위해 더 최신 기술이 요구되는데 이런 기술을 위한 공정 시설의 비용 또한 exponential하게 증가한다

 

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프로세서 설계 기술의 발달 (Processor Technology)

프로세서의 발달

프로세서의 관점에서 보면 성능은 exponential하게 발전을 하였다.

 

전체적인 프로세서의 크기 또한 증가하였다.(not exponential)

• 반도체 기술의 발달에 따라 트랜지스터의 크기는 더욱 작아졌다.
• 그러나 트랜지스터와 IC의 개선된 성능을 반영하기 위해서는 더 많은 하드웨어가 필요해졌다.
• 그에 따라 die의 크기가 증가하였고, 전체적인 프로세서의 크기도 증가하였다.

 

아래 그래프는 y축이 log style로 되어있어서 성장이 완만해보이지만 실제로 y축을 linear하게 표현한다면 exponential한 성장을 보인다.

Signle-processor 성능의 발달 (출처 : Hennessy and Patterson slide, Computer Organization and Design, Morgan Kaufmann)

 

 

초기의 컴퓨터 : Mainframe

초기의 컴퓨터인 mainframe은 원래 single chip이 아니었다.

32 bit system으로 시작을 하였지만, IC technology가 발달하지 않았기에, 여러 개의 큰 circuit board을 프로세서로 사용하고 있었다.

 

프로세서의 구성품이 많아지면 design이 힘들고 design cycle이 길어진다.

기술 혁신을 빠르게 따라갈 수 없음을 의미한다.

 

Mainframe의 design cycle은 5년 정도로, 하드웨어, OS, application까지 모두 개발해야했기에 design cylce이 매우 길어졌다.

 

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Single-Chip Microprocessor과 컴퓨터의 탄생

Single-Chip Microprocessor의 탄생

최초의 Single chip은 인텔에 의해 시작되었다.

 

인텔은 2차 대전 이후 실리콘밸리의 반도체 회사 중 하나로, 다른 회사들로 부터 chip 주문을 받고 이를 설계/생산을 해주는 회사였다.

이 당시 컴퓨터 산업은 미국 동부의 IBM에 의해 주도되고 있었다.

 

그러나 Busicom 사로부터 계산기에 대한 칩을 만들어달라는 요구가 들어오게되었다.

이 때 각 기기별로의 전용 chip을 만드는 대신 범용 프로세서를 single chip으로 만들어보자라는 생각을 가지게 되었고, 그렇게 1971년에 최초의 single-chip microprocessor인 "4004 microprocessor"가 탄생하게 되었다.

이렇게 intel은 컴퓨터 회사가 되었다.

 

4004 마이크로프로세서는 4-bit system으로 동작하고 있었으며, 크기, 가격, 성능 면에서 "micro"하였다.(작았다.)

이후 인텔은 1972년에 8-bit의 8008을, 1974년에 "8080"을 발표하였다.

8080을 이용해서 최초의 microcomputer가 만들어지고 소프트웨어와 마이크로 컴퓨터산업이 시작되었다.

이에 따라 모두의 책상에 컴퓨터가 놓아지기 시작하였다.

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Personal Computer의 탄생

IBM에서 1981년 "IBM PC"을 발표하고 PC 시작을 평정하였다.

이 때 IBM은 제한된 형태로 참여하였는데, CPU, OS, application을 자체생산하지 않고 다른 회사의 제품을 사용한 것이였다.

그렇게 CPU는 인텔의 16-bit 8088, OS는 MS DOS을 탑재하였고, 그에 따라 application들은 Intel/Microsoft platform(Wintel)에서 돌아갔다.

 

이후 실리콘밸리에서 IBM의 특허를 피하는 방법이 고안되었고, 누구나 IBM PC을 제조할 수 있게 되었다.

이에 따라 "IBM PC"에서 "PC"로 변화하였다.

 

그러나 이미 application들은 Wintel platform에서 돌아가고 있었기에 다른 플랫폼들은 큰 인기를 얻지 못하였다.

또한 intel microprocessor들은 single chip, 짧은 design cycle이라는 특징을 가지고 있었기에 최신 반도체 기술을 빠르게 적용할 수 있었다.

 

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Compatibility

새로운 instruction set을 만들 때는 기존의 instruction set을 포함해야 한다. 이를 compatibility(golden shackle)라 한다.

기존 세대에서의 application 동작을 위해서이다. 만약 기존 세대에서 동작하던 application이 새로운 세대에서 동작하지 않는다면 application 개발에 힘을쓰거나 동작을 포기해야하기 때문에 사용자들은 떠날 수도 있다.

일종의 족쇄이기 때문에 golden shackle이라고도 한다.

 

이와 비슷한 이유로 IBM PC에서 PC로 변화하였음에도 Intel/Microsoft platform을 벗어나지 못하였다.

 

Intel의 chip 또한 계속 발전해왔음에도 아래와 같이 계속해서 기존 세대의 instruction set을 포함한 채로 추가적인 instruction set을 더하였다.

 

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기술의 발전으로 인한 변화

컴퓨터 구분의 변화

과거의 컴퓨터들은 목적에 따라서 탑재되는 processor가 달랐다.

아래로 갈수록 비용이 높아진다.

• Microcomputers : 일반적으로 사용되는 컴퓨터
• Minicomputers : 중소기업의 규모에서 주로 사용되는 컴퓨터 
• Mainframes : 대기업에서 주로 사용되는 컴퓨터
• Supercomputers : 매우 큰 규모의 연산이 필요한 곳

 

현재 프로세서는 microproessor와 processor로 구분되었다.

마이크로프로세서는 낮은 가격 등의 이유로 인해 embedded system에서 사용된다.

Semiconduction technology와 Processor technology가 발달함에 따라 성능이 월등히 높아졌고, 이러한 구분들은 의미가 없어졌기 때문이다.

반도체기술과 프로세서 기술의 발달에 따른 컴퓨터 구분

 

컴퓨터 산업에서의 변화

기존에 컴퓨터 회사들은 하드웨어와 소프트웨어(OS, application)들을 전부 만들었다.

그러나 기술의 발달에 따라 전문적인 프로세서 vendor로부터 프로세서를 구입하기 시작했다.

이제는 system, software, service에 더 초점을 두게 된 것이다.

 

Instruction Set의 변화

1970년대에는 메모리의 가격이 매우 비쌌기 때문에 하나의 명령어가 더 많은 일을 할 수 있는 CISC(Complex instruction Set Computer) style을 체택하였다.

 

1980년대에 여러 기술적인 발달로 인해 RICS style로 프로세서를 설계하기 용이해졌다.

또한 프로세서가 바뀌더라도 이전보다 불편함이 적어졌고 그로인해 다양한 프로세서가 탄생했다.

이 시기를 processor design의 르네상스라고 한다.

• 반도체 기술의 발달
  • 메모리의 가격이 더 낮아졌고 더 powerful한 프로세서를 만들 수 있게 되었다.
• UNIX OS가 공개
  • 프로세서와 OS를 다 만드는 것 보다 프로세서만 설계함으로써 컴퓨터 사업에 진출하기가 쉬워졌다.
• High-level programming의 개발
  • 프로세서가 바뀌더라도 기존보다는 새로 프로그래밍하는 데에 드는 어려움이 줄어들었다.

 

이후, PowerPC, PA-RISC, MIPS 등 성능이 뛰어난 32-bit RISC processor들이 많이 탄생하게 되었다.

다만 Intel x86 ISA는 달랐는데, 이 또한 내부적으로는 RISC style을 가진다.

 

기술 트랜드

프로세서는 exponential 하게 발전을 이루었지만, 메모리는 그러지 못하였다.

메모리는 용량(capacity)는 exponential하게 발전하였지만, 속도/성능(speed) 측면에서는 완만하게 증가하였다.

 

결국 프로세서 입장에서 메모리는 점점 느려져갔고, 이를 고려한 컴퓨터의 설계가 요구되었다.