컴퓨터란 무엇인가?
컴퓨터(Computer)는 전자 회로를 이용하여 프로그램과 정보를 전자적 형태(Electronic Form)로 저장하고 빠르게 계산하고 입력된 데이터를 정해진 프로그래밍에 따라 처리하게 하는 전자 기기(Machine)입니다.
즉 자동으로 연산을 수행하는 전자적 장치이며, 수식이나 논리적 언어로 표현된 일련의 산술 연산이나 논리 연산을 자동으로(Automatically) 수행하도록 지시하거나 데이터를 가공(저장, 복구, 삭제 등)하고 처리합니다. 이렇듯 우리가 간편하고 쉽게 사용하는 컴퓨터는 복잡하고 어려운 수많은 프로그래밍 언어로 포함되어 있습니다.
컴퓨터의 어원
컴퓨터라는 명칭의 유래는 계산한다는 뜻의 라틴어 'Computare'에서 유래됩니다. 즉 'Compute'에서 유래됐으며 'Compute'는 Com(함께) + Putus(생각하다)의 합성어입니다. 컴퓨터라는 말의 의미는 시기를 거칠 때마다 많이 변화해 왔지만 항상 사용되어 왔습니다. 우리 인간들은 컴퓨터의 능력을 표현하는 데에 항상 어려움을 겪기도 하였습니다.
이 말은 본래 컴퓨터는 원래 기계적인 도움의 유무에 관계없이 수학 계산을 수행하는 사람을 가리키는 말로 사용되어 왔습니다. ODE2 목록에 따르면 1897년에 처음으로 기계적 계산을 수행하는 기계를 일컫는 말로 사용되었습니다. 1946년까지 여러 수식어가 소개되었는데, 이것들은 여러 종류의 컴퓨터를 구별하기 위한 것들이었고 이 수식어들은 아날로그, 디지털을 포함하고 있습니다.
전자 회로와 현대 컴퓨터
전자회로를 이용하여 자동적으로 계산이나 데이터를 처리하는 기계로 프로그래밍이 가능합니다. 입력자료를 받아들여 처리하고 그 정보를 저장하고 검색하여 결과를 출력하는 일을 합니다. 아날로그형과 디지털형이 있으나 1960년 이후로는 거의 디지털형만이 이용되고 남아있습니다.(아날로그형은 너무 크고 무겁고 불편하며, 심지어 비용적인 측면에서도 효율적이지 못하기 때문입니다.)
컴퓨터의 기능
입력 기능 - 프로그램을 컴퓨터 내부로 읽어들이는 기능으로서 입력 장치에 갖추어져 있습니다.
제어 기능 - 프로그램의 명령을 하나하나씩 읽고 해석하여, 모든 장치의 동작을 지시하고 감독, 통제하는 기능입니다. 제어 기능은 컴퓨터에서 가장 핵심적인 기능으로 이러한 제어 기능이 있기 때문에 컴퓨터는 자동성을 갖습니다.(위에서 언급한 Automatically에 대한 부연설명) 제어 기능은 중앙 처리 장치(CPU - Central Processing Unit)의 제어부에서 담당합니다.
기억 기능 - 입력 장치로 읽어들인 데이터나 프로그램, 중간 결과 및 처리된 결과를 기억하는 기능으로서 중앙 처리 장치의 주기억 장치와 보조 기억 장치에 갖추어져 있습니다. HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive)와 RAM(Random Access Memory)이 여기에 속합니다.
연산 기능 - 기억된 프로그램이나 데이터를 꺼내어 산술 연산이나 논리 연산 등을 하는 기능으로서 중앙 처리 장치(CPU)의 연산부에서 담당합니다.
출력 기능 - 프로그램의 결과를 출력하는 장치를 말합니다. (모니터, 프린터 등이 여기에 속합니다.) 출력 기능에는 소리도 속합니다.
컴퓨터의 역사에 대하여
고대로부터 주판을 비롯해 계산을 돕는 많은 도구들이 있었습니다. 중세에 들어와서는 유럽과 서남아시아 지역에서 천체의 움직임을 예측하거나 낯과 밤의 길이를 계산하기 위한 정밀한 기계식 계산기가 발명되었으나, 천체와 관측 외의 계산에는 사용할 수 없었습니다.
발헬름 시카르트와 기계식 계산기의 탄생
1623년 독일의 학자 빌헬름 시카르트가 6자리 숫자의 덧셈과 뺄셈을 수행할 수 있는 최초의 기계식 계산기를 발명하였습니다.
최초의 기계식 계산기 모델은 제작 도중 화재로 소실되었지만, 두 번째 모델은 사용법을 담은 편지와 함께 시카르트의 친구였던 천문학자 요하네스 케플러에게 보내는 데 성공하였습니다. 시카르트의 기계식 계산기는 천체 운동을 당시 천문학 수준에 비해 훨씬 정확하게 계산하는데 도움을 준 것으로 '추정'하고 있습니다.
초기 기계식 계산기의 발전과 이진법의 탄생
1642년에 당시 19세였던 블레즈 파스칼이 10진수의 덧셈과 뺄셈을 계산할 수 있는 기게식 계산기를 발명하여 약 20대를 제작하였고, 1672년 고트프리트 빌헬름 라이프니츠는 이 계산기를 곱셈과 나눗셈이 가능한 기계로 개선하였습니다.
라이프니츠는 또한 현대 디지털 컴퓨터의 핵심적인 부분이 된 이진법을 고안하기도 하였습니다.
찰스 배비지와 초기 컴퓨터의 설계
1822년 영국의 수학자 찰스 배비지는 다항 함수와 로그 함수, 삼각함수 등을 계산할 수 있는 기계식 계산기인 차분 기관을 설계하였으나, 당시의 기술로는 비용이 너무 비싸 이 기계의 실물은 1855년에 이르러서야 제작되었습니다.
한편 배비지는 1835년에 그의 차분 기관을 보다 발전시킨 해석 기관을 설계하였으나, 당시 기술로는 기계의 제작이 너무 복잡하고 부품을 제작하기가 어려워 이 기계의 실문은 만들어지지 않았습니다.
비록 설계뿐이지만 많은 학자들은 해석 기관을 최초의 프로그래밍 가능한 컴퓨터로 인정하고 있습니다.
앨런 튜링과 계산 이론의 기초: 튜링 기계의 탄생
1936년 현대 컴퓨터 과학의 아버지라 불리는 영국의 수학자 앨런 매시슨 튜링은 튜링 기계라는 수학적 개념을 고안하여 알고리즘과 계산에 관한 이론적 기초를 정립하였습니다.
그는 알려진 모든 수학적 개념과 계산 과정을 튜링 기계를 통해 나타낼 수 있음을 증명하였습니다. 인간에게 알려진 모든 계산 기계는 계산 속도의 차이가 있을 뿐 모두 튜링 기계와 같거나 약한 계산 능력을 가집니다.
조지 스티비츠와 초기 전자식 디지털 계산기의 탄생
1937년 벨 연구소에서 일하고 있던 미국의 수학자, 물리학자 조지 스티비츠는 이진법을 사용하는 최초의 전자식 디지털 계산기를 개발하였습니다.
1939년에는 선형대수학의 문제를 풀기 위해 개발된 전자식 디지털 컴퓨터인 아타나소프 베리 컴퓨터가 개발되었으나 다른 용도로 프로그래밍할 수 없었으므로 사용 목적에는 한계가 있었습니다.
콘라드 추제와 콜로서스의 발견
1941년 독일의 공학자 콘라드 추제는 천공 카드로 프로그래밍할 수 있는 최초의 전자/기계식 컴퓨터인 Z3를 개발하였습니다.
그러나 콘라드 추제는 당시 적국이었던 미국이나 영국 과학자들과 거의 교류가 없었고 Z3의 실물 또한 2년 후 연합군의 폭격으로 파괴되었기 때문에 그의 업적은 독일 이외의 국가에 오랫동안 알려지지 않았습니다.
프로그래밍이 가능한 최초의 전자식 디지털 컴퓨터는 2차 대전 당시 독일의 암호를 해독하기 위해 설계된 영국의 콜로서스였습니다. 그러나 이 컴퓨터의 존재는 1급 기밀이었으므로 1970년대까지 일반인에게는 알려지지 않았습니다.
20세기 중반의 컴퓨팅 혁신과 군사적 활용
이러한 이유로 1946년에 미국에서 개발된 애니악(ENIAC)은 오랫동안 최초의 프로그래밍 가능한 범용 컴퓨터로 알려져 있었습니다.
에니악은 18,000개의 진공관을 이용하여 무게가 30톤에 이르렀고, 가격은 50만 달러(2020.11.12 대한민국 물가로 약 5억 5천 7백만원대)에 달했기 때문에, 포탄의 궤적을 계산하거나 수소폭탄의 폭발을 예측하는 등 주로 정부에서 군사적 목적으로 이용되었습니다.
노이만의 혁신부터 PC의 폭발적인 발전
한편 1945년 미국의 컴퓨터 과학자였던 존 폰 노이만은 프로그램을 기억장치에 내장하는 방식의 컴퓨터를 제안하였고 그의 제안을 바탕으로 EDVAC가 설계되었으나 특허권 문제로 개발이 늦어졌습니다.
그리하여 1949년 EDVAC의 설계를 발전시킨 EDSAC가 최초로 프로그램 내장방식과 이진법을 채택한 디지털 컴퓨터가 되었습니다.
1970년대 말부터 개인용 컴퓨터(PC - Personal Computer)가 보편화 되기 시작했습니다. 1990년 이후로 18개월에서 24개월 주기로 성능이 두 배씩 향상되는 폭발적인 발전이 있었습니다.
컴퓨터의 응용 분야에 대하여
보안과 해킹
컴퓨터를 통해 제작된 콘텐츠나 컴퓨터를 이용한 콘텐츠를, 나쁜 뜻을 품은 제 3자가 해당 콘텐츠의 취약점을 찾아내어 자신의 이기적인 목적을 달성하는 것을 크래킹이라고 하며 그것을 막는 행위를 보안이라고 합니다.
크래킹의 예로, 네트워크의 보안 취약점을 공격하거나, 일부 전문가들의 단순한 자기 과시를 위한 바이러스의 유포 등 과거와는 달리, 현재에는 지워도 지워지지 않는 광고 팝업 창, 게임기의 정품 소프트웨어 인식 장치를 무력하게 하는 하드웨어, 키보드를 누를 때 생기는 전자파를 이용하여 해당 컴퓨터에 접속하지 않고도 바깥에서 암호를 알아내는 장치 등 소프트웨어적, 하드웨어적으로 넓은 범위로 확산되어 가고 있습니다.
엔터테인먼트
저희가 일상에서 즐기는 영화, 게임 등에서도 당연하게 컴퓨터가 응용되며 활용됩니다. 영화에 몰입감을 더해주기 위해 그래픽을 입히는 작업은 컴퓨터의 이진법 계산을 따르며 게임, 음악 등 이외에 여러 분야에 컴퓨터를 활용합니다.
디자인
접시, 가구부터 자동차, 비행기, 건축물 등 다양한 방면의 사물을 디자인하기 위해 이용됩니다.
시뮬레이션
컴퓨터 성능의 발전과 함께 컴퓨터 그래픽스(CG) 기술의 발전은 눈으로 확인하기 힘든 상황들을 컴퓨터에서 가상으로 진행 가능하게 됬습니다.
대표적인 시뮬레이션으로는 원자와 전자의 위상, 기상 변화, 은하 간 충돌, 물리적 충돌, 폭발의 범위 등이 있으며 실제로 경험하기엔 너무 위험하거나, 발생 확률이 극히 작아 경험하기 힘든 상황들이 주로 시뮬레이션의 대상이 됩니다.
컴퓨터 작곡(미디)
음악을 작곡하는 데 기계를 사용하려는 발상은 최근에 생겨난 것이 아닙니다. 이미 17세기 런던에 살던 사무엘 피프스란 사람이 만든 작곡 기계가 지금도 케임브리지 대학에 남아 있습니다.
명령받은 대로 일을 하는 것은 컴퓨터에게 아주 쉬운 일이며, 작곡에 관한 원칙을 짜넣은 프로그램이 개발되어 있습니다. 또 프로그램의 일부를 바꿔 줌으로써, 그때마다 다른 작품을 만들어 낼 수도 있습니다.
의학에서의 컴퓨터 활용
병원에서는 환자 몸의 내부 영상을 얻기 위해 컴퓨터에 의한 화상 기술을 폭넓게 이용하고 있습니다.
어머니 태내에 있는 태아의 화상도 초음파와 컴퓨터를 이용하여 얻어집니다. 의사는 그로써 태아가 정상으로 자라고 있는가를 진단할 수 있습니다. 인체에 함유되어 있는 화학 물질은 전자파를 이용한 핵자기공명 영상법(NMRI)을 써서 조사할 수가 있습니다.
환자는 긴 원통 모양의 자석 속에 누워 자장 속에서 원하는 각각 특정 주파수의 전자파를 흡수하므로, 몸 안에 있는 각각의 원자의 농도를 측정할 수가 있습니다. 그 데이터를 컴퓨터를 이용하여 화상으로 만들어 내고 있는 것입니다.
또 하나의 효과적인 영상법은 CT스캐너입니다. CT스캐너는 X선원으로부터 방사상으로 발사한 X선을 환자 몸 안에 통과시킨 뒤 측정합니다. X선원을 회전시킴으로써 인체의 단면을 여러 각도에서 볼 수가 있으며, 컴퓨터는 이것을 통해 완전한 화상을 만들어 냅니다.
컴퓨터 응용 분야 요약
| 분야 | 설명 |
|---|---|
| 보안과 해킹 | 콘텐츠의 취약점을 찾아 이기적인 목적을 달성하는 것은 크래킹이며, 그것을 막는 것을 보안이라고 함. |
| 엔터테인먼트 | 영화, 게임 등에서 컴퓨터가 활용되며, 그래픽 작업 및 다양한 콘텐츠 제작에 사용됨. |
| 디자인 | 다양한 제품 및 건축물 디자인에 컴퓨터가 사용됨. |
| 시뮬레이션 | 눈으로 확인하기 힘든 상황을 컴퓨터에서 가상으로 시뮬레이션함. 예로는 원자와 전자의 위상, 기상 변화 등이 있음. |
| 컴퓨터 작곡(미디) | 음악 작곡에 컴퓨터를 활용, 특정 원칙에 따라 다양한 작품 생성 가능. |
| 의학에서의 컴퓨터 활용 | 환자 몸의 내부 영상을 얻는 화상 기술, 초음파, 핵자기공명 영상법, CT스캐너 등에 컴퓨터 활용. |
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