기계식 컴퓨터, 비전자적 컴퓨터 에세이
-1.
이 글은 개인적으로 흐름을 정리하려고
위키피디아, GPT, 유튜브 등을 따라가면서
출처없이 주절주절 긁어온 누더기글입니다.
공신력이 없기 때문에, 그냥 이런 글이 있구나 수준에서 읽어주
또 잘못된 부분이 있다면 댓글로 남겨주세요..
0.
이전에 데릭 청의 전자정복이라는 책을 읽었다.
볼타전지, 찰스 배비지의 해석기관,
에디슨과 테슬라의 진공관, 다이오드
섀넌의 디지털회로, 정보이론, 튜링머신
트랜지스터, 집적회로, LED, SoC등
전자제품이 발전하는 과정을 연대순으로 정리한 책이다.
1.
글을 읽다보면,
에니악과 트랜지스터의 시대 이전에
찰스 배비지의 해석기관을 보면
기어,크랭크, 도르래, 캠을 이용하여
사람의 일을 대신 해주는 유용한 기계장치들의 시대가 있었음을
어렴풋이 느낄 수 있다.
아직까지도 유용한 이러한 비전자적인 기계 장치로는
자동차의 유압장치, 아날로그 시계, 소총 등을 꼽을 수 있지 않을까?
이런 것을 전문적으로 하는 분야가 기계설계 분야일 것이다.
2.
유튜브의 Veritasium에서도
기어, 밸브, 크랭크 등을 이용하여
덧셈을 수행하는 가산기를 보여주고 있다.
https://youtu.be/kRuIZUpk8vs?si=70rX6bW2JTJxZSwF
무어의 법칙이 힘을 잃어가고,
뉴럴넷 인공지능 등의 이슈로 계산량이 많아지고 있는 상황에
아날로그 컴퓨터는 어떨까? 하고 소개하는 영상이다.
2.5
아날로그 컴퓨터는 전기적 , 기계적 , 또는 유체 역학적 양과 같은 물리적 현상을 수학적 원리에 따라 동작하는 아날로그 신호 로 표현하여 문제를 모델링하는 일종의 계산 기계(컴퓨터)입니다. 이와 대조적으로, 디지털 컴퓨터 는 다양한 양 을 시간과 진폭의 이산적인 값( 디지털 신호 )으로 기호적으로 표현합니다.
아날로그 컴퓨터는 매우 다양한 복잡성을 가질 수 있습니다. 계산자 와 노모그램이 가장 간단한 반면, 해군 함포 사격 통제용 컴퓨터와 대형 디지털/아날로그 하이브리드 컴퓨터는 가장 복잡한 컴퓨터 중 하나였습니다. [ 1 ] 공정 제어 및 보호 계전기를 위한 복잡한 메커니즘은 제어 및 보호 기능을 수행하기 위해 아날로그 연산을 사용했습니다.
아날로그 컴퓨터는 디지털 컴퓨터가 등장한 후에도 과학 및 산업 분야에서 널리 사용되었습니다.당시에는 일반적으로 훨씬 더 빨랐기 때문입니다.하지만 1950년대와 1960년대 초부터 쓸모없어지기 시작했지만 항공기 비행 시뮬레이터 , 항공기 의 비행 컴퓨터 , 대학의 교육 제어 시스템 등 일부 특정 응용 분야에서는 계속 사용되었습니다 .아마도 아날로그 컴퓨터의 가장 관련성 있는 예는 상호 연결된 기어의 연속적이고 주기적인 회전이 시계의 초침, 분침, 시침을 구동하는 기계식 시계 일 것입니다.항공기 비행 시뮬레이터와 합성 개구 레이더 와 같은 더 복잡한 응용 분야는 디지털 컴퓨터가 해당 작업에 부족했기 때문에 1980년대까지 아날로그 컴퓨팅(및 하이브리드 컴퓨팅 )의 영역으로 남았습니다. [ 2 ]
기계식 컴퓨터 는 전자 부품이 아닌 레버 나 기어 와 같은 기계 부품 으로 제작된 컴퓨터 입니다 . 가장 흔한 예로는 가산기 와 기계식 카운터가 있는데 , 이들은 기어를 돌려 출력 값을 증가시킵니다. 더 복잡한 예로는 곱셈과 나눗셈을 수행할 수 있는데, 프라이든은 각 열에서 멈추는 이동식 헤드를 사용했고, 심지어 미분 분석 도 수행할 수 있습니다 . 1960년대에 판매된 Ascota 170 회계 기계는 제곱근을 계산했습니다 .
https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_computer
https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_computer
3.
영국의 캘빈 경(Kelvin William Thomson )은
1870년대에 디스크와 도르래를 이용해 파동분석기를 발명하였다.
찰스 배비지(Charles Babbage)는
1840년대에 해석기관(Analytic Engine)을 구상했다.
증기기관을 동력으로 하여 톱니바퀴와 기어를 움직여서 계산을 수행한다.
기어를 이용하여 CPU와 기억장치를 구현하고,
에이다 러브레이스에게 영감을 받아 코드의 개념을 도입한다.
Variable Cards와 Operation Cards를
이용해 Number Card를 작성하고 프린터로 출력한다.
구현되지는 못했지만,
메모리에서 값을 Load해오고,
카드에 적힌 작업Operation을 순서대로 수행하고,
결과물을 메모리나 카드에 저장하는 방식이
컴퓨터 구조론의 Uniprocessor와 크게 다르지 않아보인다.
배비지가 설계한 기어와 기계를 이용한 해석기관은
현대적인 컴퓨터구조, 튜링머신의 원형이 된다.
4.
에이다 러브레이스의 코드,
그리고 60년대 까지 사용되었던 IBM의 천공(펀치)카드는
1700년대 프랑스 발명가들이 개발한
펀치카드를 이용한 '자카드 직기'의 영향을 받았음을 알 수 있다.
프랑스의 여러 공작가들의 발명품을 기반으로,
Joseph Marie Jacquard가 1804년에 특허를 받았다.
고급스러운 옷은, 부의 상징, 높은 사회적 지위의 상징이었고,
복잡한 패턴이 옷에 세겨질 수록 옷의 가치는 올라갔다.
기존의 방식은 노동집약적이고, 느린 작업이었다.
1725년 바질 부숑(Basil Bouchon)이 Punched Paper를 이용하는 방식을 도입하여
이러한 복잡한 패턴을, 천공카드에 프로그래밍하고
직기를 이용하여 자동으로 직물에 패턴을 새기는 기능을 구현하였다.
1802년에 자카드가 이러한 직기를 상용화한다.
(https://www.computerhistory.org/storageengine/punched-cards-control-jacquard-loom/)
이러한 자카드 직기가, 우리가 흔히 말하는 '외부 프로그램', '코드' 등의 원형으로 취급된다.
이후 이러한 방직과정의 자동화는
제임스 와트의 증기기관이 불러온 산업혁명 시대와 맞물려
유럽열강들의 제국주의과 식민지주의,
아프리카 노예제, 아메리카 면화 플렌테이션,
러다이트운동, 마르크스주의와 연결된다.
그럼에도 불구하고 이러한 산업혁명 버프를 받은
영국의 방직산업이 청나라의 가내수공업에 밀리고
은 유출로 인한 무역 적자를 내어서 아편전쟁이 발발한 것도 기억해둘만하다.
5.
토마스 산술기(Arithmomter)
프랑스의 토마(Thomas de Colmar)가 구상하고
1850년대에 상용화되어 널리 퍼진 기계식 산술계이다.
덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈의 기능을 수행했다.
6.
파스칼린(Pascaline, 파스칼 계산기)
1642년 블레즈 파스칼(Blaise Pascal)이 발명한 기계식 계산기이다.
(https://en.wikipedia.org/wiki/Pascaline)
계산기 상에서 숫자의 보수법(Carry)과
비전자적, 기어, 도르레를 활용한 최초의 연산기이다.
결국 Carry Bit를 어떻게 옮기느냐,
Carry에 대한 정보를 어떻게 전달하느냐 라는 문제에 대
중력, 기어 등을 활용한 '소트와르'를 이용해 Carry Transfer 기능을 구현하였다.
이 시점부터, 이미 Fall & Latch 와 Carry, Register의 개념이 사용되고 있었다.
(어찌보면 당연한 이야기이긴 한데
Latch는 JK FlipFlop을 배우기 위한 무언가이고,
레지스터는 상태저장을 위한 전자적인 무언가 쯤으로 계속 배워와서
이런게 있는지도 몰랐다..)
이러한 파스칼의 기계식 계산기가
현대적 컴퓨터의 산술기(ALU)의 원형이 된다.
7.
기계식 시계와 화승총 또한
비 전자적 기계의 대표적인 요소이다.
(https://www.youtube.com/watch?v=9_QsCLYs2mY)
기어의 비율을 조절하여 정교한 시간을 구현하고
헤어 스프링과 밸런스 휠 등을 통해서 동력을 전달하는 방식이다.
이러한 기계식 시계의 원조는
기원적 고대 그리스에서 만들어진 안티키테라 기계이다.
최초의 아날로그 컴퓨터로 취급되는 듯하다.
8.
미국과 소련은 냉전 시대에 우주를 선점하기 위해 경쟁을 벌였다.
소련의 우주선에 사용된 컴퓨터는
시스템의 견고성과 단순성을 위해
첨단전자 기술을 통합하는 것에 중점을 둔 미국 우주선에 비해서
상대적으로 기계부품에 의존한 시스템을 어느정도 채택했다.
기계식 항법 컴퓨터 Globus INK는
지구본이 회전하면서 고정된 십자선이 우주의 어느지점에 위치하였는지 파악할 수 있는 시스템이었다.
정교한 기어, 캠, 차동 장치 등을 사용하여
당시의 전자 우주 컴퓨터보다 더 높은 퀄리티의 디스플레이를 구현할 수 있었다고 한다.
다만 우주원들이 수동으로 손잡이를 돌려서 입력신호를 설정해줘야하고
유지보수의 측면에서 별로였다고 한다.
근데 그건 선정리 안된 전자회로나 스파게티 코드도 마찬가지인듯
9.
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computing_hardware
10.
결과적으로 이러한 기계식 컴퓨터에 대한 주제를 심도있게 공부하게 위해서는
기계공학, 동역학, 기계설계, 엔진공학, 유압장치 등에
대한 공부가 필요할 듯하다.
아니면 CNC, 밀링, 공작기계에 대해 알아볼 수도 있을 것이고.
또한 군용기술과 같이 아무나 배워서는 안되는 영역과도 많이 엮여 있는 듯하다.
어쩌면 로켓사이언스야 말로 현대 공학기술의 총체가 아닐까하는 생각이 든다.
11.
맺음말
It is Rocket Science