[MHN IT] 프로그래머가 논리설계를 배워야하는 이유, 핵심은 '물리적 제약 극복'

논리설계, 하드웨어 디지털 회로의 설계
트랜지스터 MOS, 현실을 반영한 NMOS와 PMOS의 결합

[문화뉴스 MHN 윤자현 기자] 논리의 사전적 정의는 '사고 추리의 원리'이다. 그러나 논리설계는 인간의 사고 영역에서만 일어나는 사고의 원리가 아니다. 오히려 이 논리를 바탕으로 컴퓨터의 하드웨어를 설계하는 것이다. 논리설계는 결국 컴퓨터 하드웨어의 디지털 회로의 설계이다.

하드웨어와 소프트웨어의 관계

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. 그러나 인터넷을 사용한 디지털 기기가 없다면 인터넷에 접속할 수 없는 것처럼 기능을 수행하고 전달할 하드웨어가 없다면 소프트웨어는 작동될 수 없다.

스위치의 열림과 닫힘- 0과 1로 변환

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. 게이트로 전류가 흘러 들어가게 되면서 게이트 밑의 판 층에 전류가 흘러 소스와 드레인 터미널 사이에 전류가 흐르는 통로가 만들어진다. 만약 드레인 터미널이 더 높은 전압을 가진다면 전류는 드레인으로부터 소스 터미널로 흐르게 된다.

트랜지스터-스위치의 진화

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. 게이트로 전류가 흘러 들어가게 되면서 게이트 밑의 판 층에 전류가 흘러 소스와 드레인 터미널 사이에 전류가 흐르는 통로가 만들어진다. 만약 드레인 터미널이 더 높은 전압을 가진다면 전류는 드레인으로부터 소스 터미널로 흐르게 된다.

하드웨어의 현실적 제약-논리설계를 배우는 이유

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 발생한다. 사람이 일을 단순하게 처리하기 위해 "예" "아니오"로 대답을 제한하듯이 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 때는 NMOS를 사용해야 하고 낮은 전압을 흘려보낼 때는 PMOS를 사용해야 한다. 그러나 어떠한 전압이 회로에 입력될지 모르기 때문에 회로에서 Mos 트랜지스터는 NMOS와 PMOS가 함께 사용된다. 트랜지스터는 낮은 단계의 스위치이며 트랜지스터를 사용하여 논리연산을 수행하며 복잡도를 높혀간다.

하드웨어는 물리적인 실체를 가진 존재로 물리적 제약을 받는다. 하드웨어의 세부 부품들은 일정한 크기를 넘으면 사용하기 불편하고, 비용이 너무 많이 들면 소비자가 구매할 수 없다. 속도가 너무 느리면 작업하기 불편하고, 에너지 소모가 심하면 지구 환경에 나쁜 영향을 끼친다. 따라서 논리설계는 효율적이고 현실적으로 하드웨어를 설계하고 실행시키는 점에서 배움과 실천의 의의가 있다.

적당한 성능과 합리적인 가격, 감당할 수 있는 크기와 같은 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 역할이 디지털 영역으로 확장되었다. 그러나 프로그래머는 소프트웨어는 하드웨어를 기반으로 이루어진 세계이며 하드웨어가 가진 물리적 한계는 존재한다는 사실을 기억해야 한다. 하드웨어의 물리적 제약에 대한 고민이 소프트웨어의 코드를 더욱 현실적이고 완성도 있게 만들어 줄 것이기 때문이다.

-----

[MHN IT] 프로그래머가 논리설계를 배워야하는 이유, 핵심은 '물리적 제약 극복'

논리설계, 하드웨어 디지털 회로의 설계
트랜지스터 MOS, 현실을 반영한 NMOS와 PMOS의 결합