컴퓨터 구조의 발달과정

컴퓨터 구조의 발전은 부품 기술의 발달과 밀접한 관련이 있습니다. 초기 컴퓨터는 진공관과 전자관을 사용하여 작동했습니다. 진공관은 전기 신호를 제어하고 증폭하는 데 사용되었으며, 초기 컴퓨터의 주요 처리 장치로 사용되었습니다. 그런데 진공관은 크기가 크고 발열과 안정성 문제가 있었습니다. 1947년에 발명된 트랜지스터는 진공관의 대안으로 등장했습니다. 트랜지스터는 작고 효율적이며, 발열 문제도 적었습니다. 이에 따라 컴퓨터의 크기가 줄어들고, 속도와 신뢰성이 향상되었습니다. 1960년대에는 집적 회로(IC) 기술이 발명되었습니다. 이는 여러 개의 트랜지스터와 다른 전자 부품들을 한 개의 칩에 집적시킨 기술로, 이전보다 훨씬 높은 통합도와 성능을 제공했습니다. 이에 따라 컴퓨터의 소형화와 성능 향상이 가속화되었습니다. 1970년대에는 인텔(Intel)을 비롯한 기업들이 마이크로프로세서를 개발하였습니다. 마이크로프로세서는 CPU를 한 개의 칩에 집적한 것으로, 개인용 컴퓨터의 등장과 함께 컴퓨터의 보급이 가속화되었습니다. 1990년대 후반부터는 그래픽 처리 장치(GPU)의 발전이 주목받았습니다. GPU는 병렬 처리에 특화되어 있어, 그래픽 처리 및 병렬 계산에 탁월한 성능을 제공합니다. 이는 과학 및 엔지니어링 분야에서 복잡한 계산을 수행하는 데 사용되고 있습니다. 그 후 하드 디스크 드라이브(HDD), SSD(Solid State Drive) 등의 저장 장치 기술도 지속해서 발전해 왔습니다. 용량의 증가와 속도의 향상으로 데이터 접근 속도와 용량 관리 측면에서 컴퓨터 구조에 많은 영향을 미쳤습니다. 이러한 부품 기술의 발전은 컴퓨터 구조의 발전을 이끌었으며, 현재에도 새로운 기술의 개발과 적용을 통해 컴퓨터의 성능과 기능이 지속해서 발전하고 있습니다.
1945년에 제안된 폰 노이만의 프로그램 내장 방식은 컴퓨터에서 프로그램을 실행하는 방법의 하나로, 이것은 프로그램이 메모리에 저장되어야만 실행될 수 있다는 아이디어에 기반합니다. 현대 컴퓨터 구조의 중요한 개념 중 하나인 폰 노이만의 프로그램 내장 방식은 프로그램 명령어와 데이터가 모두 동일한 메모리에 저장되며, 프로그램은 메모리에 저장되어야만 실행될 수 있다는 것을 의미합니다. 폰 노이만 구조에서는 일반적으로 명령어와 데이터를 구분하기 위해 고정된 위치에 있는 주소를 사용합니다. 프로그램의 시작 부분에는 명령어가 저장되고, 그 뒤에는 데이터가 저장되는 방식입니다. CPU는 메모리에서 명령어를 가져와 실행하는 단계를 반복합니다. CPU는 순차적으로 메모리의 다음 주소로 이동하여 다음 명령어를 가져와 실행합니다. 이렇게 함으로써 프로그램의 각 단계가 순차적으로 실행됩니다. 이때 CPU는 실행 중인 명령어의 주소를 추적하기 위해 프로그램 카운터(PC)라는 레지스터를 사용합니다. PC는 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킵니다.
IAS(Princeton Institute for Advanced Study) 컴퓨터는 폰 노이만 아키텍처(또는 폰 노이만 머신)의 초기 구현 중 하나입니다. 이는 폰 노이만이 제안한 프로그램 내장 방식(Stored Program Concept)을 기반으로 설계된 컴퓨터로, 현대 컴퓨터 아키텍처의 선구자적인 역할을 합니다.
IAS 컴퓨터는 폰 노이만이 제안한 프로그램 내장 방식을 따릅니다. 즉, 프로그램 명령어와 데이터가 모두 메모리에 저장되어 있어야 합니다. IAS 컴퓨터의 명령어 형식은 연산 코드, 오퍼랜드 주소 필드로 구성됩니다. 그 후 PC를 이용하여 실행 중인 명령어의 주소를 추적합니다. IAS 컴퓨터의 명령어는 고정된 길이를 갖습니다. 이는 명령어가 일정한 크기의 메모리 공간을 차지하고, 명령어를 해석하고 실행하는 데 도움이 됩니다. IAS 컴퓨터는 현대 컴퓨터의 기초가 되었으며, 많은 컴퓨터 시스템이 이러한 아이디어에 기반하여 설계되었습니다.
초기 컴퓨터의 발전은 대형 컴퓨터로부터 시작되었습니다. 대형 컴퓨터는 거대한 크기를 가지고 있었고, 주로 대기업, 정부 기관, 대학 등에서 사용되었습니다. 주요 기능으로는 대용량 데이터 처리, 과학 및 공학 연구, 금융 거래 등이 있었습니다. 대표적인 대형 컴퓨터로는 IBM의 System/360시리즈가 있습니다. 그 후 1960년대 후반부터 1970년대에는 미니컴퓨터가 등장했습니다. 미니컴퓨터는 대형 컴퓨터보다는 작고 저렴한 가격에 제공되었습니다. 대기업과 중소기업, 대학 등이 주로 사용했으며, 대규모 컴퓨터에 비해 상대적으로 소규모의 데이터 처리 및 연산이 가능했습니다. 대표적인 미니컴퓨터로는 DEC(디지털 장비 공동체)의 PDP 시리즈가 있습니다. 1980년대에는 개인용 컴퓨터(PC)가 등장하면서 컴퓨터의 크기가 점점 축소되었습니다. 개인용 컴퓨터는 개인이 소유하고 사용할 수 있는 크기로, 주로 가정용 및 사무용으로 사용되었습니다. 초기에는 주로 데스크톱 형태였지만, 이후에는 노트북, 태블릿, 스마트폰과 같은 휴대용 형태로 발전했습니다. IBM PC 및 호환 제품, Apple Macintosh 등이 대표적인 개인용 컴퓨터입니다. 현재에는 임베디드 시스템과 모바일 기기가 널리 사용되고 있습니다. 임베디드 시스템은 제한된 용도로 사용되는 컴퓨터 시스템으로, 자동차, 가전제품, 의료 기기 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 모바일 기기는 스마트폰, 태블릿, 노트북 등을 포함하며, 개인이 이동 중에도 컴퓨팅을 수행할 수 있도록 합니다. 컴퓨터는 초기에는 대형이고 비싼 장비에서부터 현재는 개인이 소유하고 사용할 수 있는 장비로 발전해 왔으며, 이는 컴퓨팅 기술의 보급되고 사용자 중심의 경향을 보여주고 있습니다.