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[문화뉴스 MHN 윤자현 기자] 논리의 사전적 정의는 사고 추리의 원리이다. 그렇다면 논리설계는 사고하는 원리를 바탕으로 설계하는 것일까? 그렇다. 심지어 이는 컴퓨터 하드웨어를 설계할 때에 필요한 지식이다. 컴퓨터는 하드웨어와 소프트웨어로 구성되어있다. 하드웨어는 연산장치(CPU), 기억장치(RAM), 입출력 장치(마우스, 모니터) 등이 있다. 소프트웨어는 컴퓨터의 시스템을 구성하는 요소 중 하나이며 모두 비트(bit) 0과 1로 이루어져 있다. 가장 널리 사용되는 소프트웨어는 인터넷이다. 많은 기능을 수행할 수 있는 인터넷도 0과 1로 만들 수 있다.
컴퓨터의 플러그를 뽑으면 컴퓨터는 작동하지 않는다. 컴퓨터는 전기로 돌아간다. 전기의 공급이 중단되면 컴퓨터는 작업할 수 없다. 하드웨어는 여러 구성 요소로 이루어지는데 생물의 세포처럼 하드웨어의 가장 기본적인 단위는 스위치이다. 눈에 보이는 철물 하드웨어와 눈에 보이지 않는 이진수 비트로 이루어진 소프트웨어는 실은 매우 밀접한 관계를 맺고 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 관계는 스위치에서 시작된다. 스위치가 닫히면 전류가 흘러 전구가 켜지고 스위치가 열리면 전류가 흐르지 못해 전구는 꺼진다. 이 스위치의 회로를 다양하게 배열하여 논리 연산자 AND, OR, NOT, NOR, NAND, XOR 등을 만들고 이 결괏값은 컴퓨터에 이진법으로 인식된다. 즉, 스위치의 열림과 닫힘이 컴퓨터가 알 수 있는 0과 1로 변환되고 스위치의 개폐 여부가 전류의 흐름을 결정한다.
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현대에는 트랜지스터가 회로의 개폐를 담당한다. 트랜지스터를 이루는 MOSFET은 Metal-Oxide on Semiconductor"의 줄임말이다. MOS는 스위치의 역할을 하며 전기가 흐르는 여부를 결정하는데 전자를 사용하는 NMOS와 양공을 사용하는 PMOS로 나뉜다. 트랜지스터에는 소스(Source), 게이트(Gate), 드레인(Drain) 세 터미널이 있다. 게이트에서 전류가 흘러 들어가게 되면서 게이트 밑의 판 층에 전류가 흐르게 되면서 소스와 드레인 터미널 사이에 전류가 흐르는 통로를 만든다. 만약 드레인 터미널이 더 높은 전압을 가진다면 전류는 드레인으로부터 소스 터미널로 흐르게 된다.
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논리회로의 설계는 현실의 제약을 받는다. 하드웨어의 모든 구성 요소에는 입력포트(Input wires)와 출력포트(output wires)가 있는데 각각의 입력포트와 출력포트에는 아날로그 전압이 걸린다. 그러나 '일정한 전압은' 일정하지 않고 오차가 발생하기 때문에 사람이 일을 단순하게 처리하기 위해 흑백 논리의 오류를 범하는 것처럼 하드웨어는 이 아날로그 신호를 '적당히' 0과 1로 인식한다. PMOS는 상대적으로 낮은 전압을 인식하고, NMOS는 상대적으로 높은 전압을 인식하는 물리적 특성을 가진다. 따라서 게이트에 높은 전압을 흘려보낼 때에는 NMOS를 사용해야 하고 낮은 전압을 흘려보낼 때에는 PMOS를 사용해야한다. 회로에 사용되는 Mos 트랜지스터는 NMOS와 PMOS가 함께 사용된다. 트랜지스터는 낮은 단계의 스위치이며 트랜지스터를 사용하여 논리연산을 수행하여 점차 복잡한 소프트웨어를 실행한다.
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하드웨어는 물리적인 실체를 가진 존재로 물리적 제약도 갖고 있다. 하드웨어의 세부 부품들은 일정한 크기를 넘으면 사용하기 불편하며, 비용이 너무 많이 들면 소비자가 구매할 수 없고, 속도가 너무 느리면 작업하기 불편하며, 에너지 소모가 심하면 지구 환경에 나쁜 영향을 끼친다. 따라서 논리설계는 효율적이고 현실적으로 하드웨어의 세부 요소를 설계하고 실행시키는 점에서 의의를 가진다.
적당한 성능과 가격과 합리적인 크기, 현실의 조건을 모두 맞추기 위해 논리회로는 최적화를 시도한다. 이진법 수학을 이용한 불 대수, 논리식을 간단히 만들기 위해 진리표에서 얻어진 카르노 맵 모두 가능한 최소한의 게이트와 전선을 사용하도록 활용되는 기법이다.
현대에서 소프트웨어 전문가, 프로그래머 등 컴퓨터를 다루는 사람의 역할은 무한히 확장되었다. 그러나 소프트웨어는 하드웨어를 기반으로 이루어진 세계이며 소프트웨어의 이해를 위하여 하드웨어의 기본 요소와 성질을 파악하는 것은 필수적이라는 것을 항상 기억해야 할 것이다.
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논리설계 하드웨어와 디지털 회로의 기초 "트랜지스터는 스위치"
논리설계, 하드웨어 논리 회로의 설계
트랜지스터 MOS, Source-Drain-Gate 세 터미널로 이뤄져
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