컴퓨터의 역사

1. 개요

컴퓨터의 역사는 고대 주판과 같은 계산 도구에서 시작하여, 17세기에 블레즈 파스칼과 라이프니츠의 기계식 계산기를 거쳐 19세기 찰스 배비지의 차분기관과 해석기관으로 이어졌다. 제2차 세계 대전 중에는 암호 해독을 위한 콜로서스와 같은 전자 컴퓨터가 개발되었고, 20세기 중반에는 ENIAC과 같은 최초의 범용 디지털 컴퓨터가 등장했다. 폰 노이만의 프로그램 내장 방식은 컴퓨터 아키텍처에 혁신을 가져왔으며, 반도체 기술 발전은 개인용 컴퓨터 시대를 열었다. 현재 컴퓨터는 인공지능 연구와 함께 더욱 발전하고 있으며, 제5세대 컴퓨터는 지능형 인터페이스와 추론 능력을 갖춘 새로운 형태를 목표로 하고 있다.

2. 초기의 계산 장치

계산을 위한 도구는 고대부터 존재해왔다. 가장 처음 발견된 것은 주판이며, 기원전 약 3000년 전 고대 메소포타미아 인들이 가장 먼저 사용했다고 추정된다. 수천 년 동안 계산을 돕기 위해 장치가 사용되었으며, 대부분은 손가락을 이용한 일대일 대응을 사용했다. 초기의 계산 장치는 아마도 눈금 막대 형태였을 것이다.

주판은 초기에 산술 작업에 사용되었다. 우리가 현재 로마 주판이라고 부르는 것은 기원전 2700~2300년경 바빌로니아에서 사용되었다.

17세기에 이르러 1642년 프랑스 수학자이자 철학자인 블레즈 파스칼이 톱니바퀴를 이용한 수동계산기를 고안하였다. 이 최초의 기계식 수동계산기는 덧셈과 뺄셈만이 가능했으며, 기어로 연결된 바퀴판들로 덧셈과 뺄셈을 했다. 파스칼의 계산기는 최초의 디지털 계산기였다. 1671년 무렵 독일의 라이프니츠가 이를 개량하여 곱셈과 나눗셈도 가능한 계산기를 발명하였다. 또한 라이프니츠는 십진법보다 기계장치에 더 적합한 진법을 연구해서, 17세기 후반에 이진법을 창안했다. 이진법은 1과 0만을 사용하며, 이들을 배열해서 모든 숫자를 표기한다.

3. 천공카드 계산 장치의 발명

찰스 배비지는 자동 계산기에 대한 개념을 제시하고 1823년 삼각함수를 계산하는 차분기관을 만들었다. 1830년대에는 순차적으로 방정식을 풀 수 있는 해석기관을 설계했다. 자동 계산기는 수를 저장(기억), 계산(연산), 동작 제어(제어), 입출력 장치로 구성되어 현대 컴퓨터의 기본 요소를 갖추었지만, 당시 기술로는 실물 제작에 실패했다.

제2차 세계 대전 중, 연합군은 암호 해독을 위해 콜로서스 컴퓨터를 개발했다. 막스 뉴먼 교수와 동료 연구자들이 설계하고, 토미 플라워스가 제작한 콜로서스는 1944년 1월에 블레칠리 파크에 설치되었다. 콜로서스는 세계 최초의 프로그래밍 가능한 완전 전자식 컴퓨터였지만, 튜링 기계는 아니었고, 1970년대까지 군사 기밀로 유지되었다.

1880년대 후반, 허먼 홀러리스는 펀치 카드에 데이터를 저장하는 방식을 발명하고, 탭 율레이터와 키펀치 기계를 발명했다. 그의 기계는 1890년 미국 인구 조사에 사용되어 처리 시간을 단축했다. 홀러리스의 회사는 국제 비즈니스 머신(IBM)의 핵심이 되었다.

4. 전자 컴퓨터의 태동

제2차 세계 대전 전후, 전자회로가 기계식 연산 장치를 대체하고 디지털 회로가 아날로그 회로를 대체하면서 현대 컴퓨터의 발전이 가속화되었다. 이러한 변화는 점진적으로 이루어졌기 때문에 "최초의 컴퓨터"를 정의하는 것은 쉽지 않다.

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독일의 공학자 콘라트 추제는 1936년부터 제한적인 프로그래밍 기능과 메모리를 갖춘 Z 시리즈 계산기를 개발했다. Z1은 1938년에 완성되었는데, 이진수로 동작했지만 기계식이었고 부품 정밀도 문제로 정확히 작동하지 않았다. 후속작인 Z3는 1941년에 전화 교환기 부품을 사용해 완성되었으며, 프로그래밍이 가능한 최초의 범용 디지털 컴퓨터였다. Z3는 현대 컴퓨터와 여러 면에서 유사했으며, 부동소수점 연산 등에서 많은 발전을 이루었다. 또한 구현하기 어려운 십진법 연산 대신 이진법 연산을 사용하여 단순성과 신뢰성을 높였다. Z3는 조건 분기문이 없어 튜링 기계가 아닌 것으로 추정되었지만, 1990년대에 튜링 기계임이 증명되었다. 콘라트 추제는 최초의 고수준 프로그래밍 언어로 여겨지는 플랑칼퀼(Plankalkül)을 설계했으나, 실제로 구현하지는 못했다. 플랑칼퀼은 추제 사후 5년이 지난 2000년에 베를린 자유 대학교 연구팀에 의해 구현되었다.

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제2차 세계 대전 중, 블레츨리 파크(영국 정부 암호 연구소)에서는 독일군의 암호 시스템 해독에 성공했다. 독일의 암호화 타자기인 에니그마는 전자기계식 계산기인 "봄베"(bombe)를 통해 해독되었다. 폴란드 수학자 마리안 르쥐스키가 설계하고 앨런 튜링과 고든 웰치먼이 개선한 봄베는 1941년부터 암호 해독에 사용되었다. 독일의 또 다른 암호화 타자기 시리즈인 로렌츠 SZ 40/42는 에니그마와는 달랐다. 이 암호 시스템 해독을 위해 막스 뉴먼 교수와 동료들은 콜로서스 컴퓨터를 설계했다. 토미 플라워스가 1943년 3월에서 12월에 걸쳐 콜로서스 1호를 제작했고, 1944년 1월에 블레츨리 파크에 설치했다.

콜로서스는 엄청난 숫자의 진공관 부품을 가진 세계 최초의 프로그래밍 가능한 완전 전자식 컴퓨터였다. 종이 테이프로 입력을 받아 다양한 종류의 논리 연산을 할 수 있었지만, 튜링 기계는 아니었다. 콜로서스 1호기와 9대의 콜로서스 2호기가 제작되었으나, 1970년대까지 군사 기밀로 유지되었다. 윈스턴 처칠은 냉전 중에 로렌츠 암호 해독 사실을 숨기기 위해 수명이 다한 콜로서스 컴퓨터를 완전히 파괴할 것을 명령했다. 따라서 콜로서스 컴퓨터의 존재는 한동안 컴퓨터 역사에 기록되지 않았다. 현재 복원된 콜로서스 한 대가 블레츨리 파크에 전시되어 있다.

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1946년 미국 펜실베이니아대학의 존 에커트와 존 모클리는 에니악(ENIAC)이라는 다용도 디지털 컴퓨터를 개발했다. 에니악은 18,000여 개의 진공관과 1,500개의 계전기를 사용했고, 무게가 30t이나 되는 거대한 기계였다. 150kw의 전력을 소비했고, 프로그램을 배선판에 일일이 배선하는 외부 프로그램 방식이었기 때문에 작업에 따라 배선판을 교체해야 했다.

이러한 에니악의 단점을 보완하기 위해 1945년 존 폰 노이만이 기억장치에 컴퓨터의 명령이나 데이터를 모두 기억시키는 프로그램 내장 방식을 제안했다. 1949년 영국 케임브리지대학에서 세계 최초로 이 프로그램 내장 방식을 채택하여 에드삭(EDSAC)을 개발했고, 미국에서는 1952년 노이만이 자신이 제안한 전자식 프로그램 내장 방식인 에드박(EDVAC)을 만들었다. 1951년에는 유니박 I(UNIVAC-I)을 만들어 상품화하는 데 성공했는데, 이것이 최초의 상업용 컴퓨터이다. 에드삭은 소프트웨어 면에서도 크게 기여했다. 그 뒤 프린스턴고등연구소에서 노이만의 지도 아래 제작된 이아스(IAS) 컴퓨터를 비롯하여 매사추세츠공대의 월윈드(Whirlwind), 에커트와 모클리의 바이낙(BINAC), 일리노이대학의 일리악(ILLIAC), 랜드회사의 조니악(JOHNIAC) 등이 제작되었다.

5. 다용도 디지털 컴퓨터

존 폰 노이만은 1945년에 컴퓨터의 명령이나 데이터를 모두 기억장치에 저장하는 프로그램 내장 방식을 제안하여, 컴퓨터 아키텍처에 혁신을 가져왔다. 1949년, 영국 케임브리지 대학교는 세계 최초로 이 방식을 채택하여 에드삭(EDSAC)을 개발했다. 에드삭은 존 폰 노이만의 EDVAC 보고서 초안에서 영감을 얻었으며, 최초로 유용하게 작동하는 전자 디지털 저장 프로그램 컴퓨터 중 하나였다.

미국에서는 1952년 존 폰 노이만이 자신이 제안한 전자식 프로그램 내장 방식인 에드박(EDVAC)을 만들었다. 1951년에는 유니박 I(UNIVAC－I)을 만들어 상품화하는 데 성공했는데, 이것이 최초의 상업용 컴퓨터이다. 레밍턴 랜드는 UNIVAC I을 46대 판매했으며, 가격은 대당 1 이상이었다.

6. 개인용 컴퓨터의 등장

반도체 기술과 전자기술의 발달로 컴퓨터의 크기가 작아지고 연산 속도가 빨라지면서 개인용 컴퓨터(PC) 시대가 열렸다. 초LSI의 출현으로 하드웨어의 원가가 대폭 절감되어, 1980년대 IBM이 PC를 출시했다. 개인용 컴퓨터는 빠르게 보급되었으며, CPU는 8086/8088, 80286, 80386, 80486, 펜티엄 순서로 발전했다.

7. 미래의 컴퓨터

컴퓨터 연구자들은 더 빠르고 성능이 좋은 하드웨어와 소프트웨어를 개발하고 있으며, 소프트웨어 연구는 스스로 판단할 수 있는 인공지능 개발에 집중하고 있다. 전문가들은 가까운 미래에도 집적회로로 만든 컴퓨터가 생산되고, 단위 분자에 데이터를 저장할 수 있게 될 것이라고 예측하며, 분자 저장 시스템을 이용하면 작은 공간에 인류의 모든 지식을 저장할 수 있다고 한다.

21세기에는 멀티코어 CPU가 보편화되었고, CMOS논리 회로의 발전으로 전력 소비가 크게 줄었다. CMOS는 상태 변화 시에만 전류가 흘러 전력 효율이 높다. 이러한 기술 혁신으로 컴퓨터는 다양한 기기에 내장되고 있다.

DNA 컴퓨터나 양자 컴퓨터의 실현은 아직 멀지만, DNA 접기 같은 기반 기술이 등장했다. 나노 스케일 초전도체 발견으로 조셉슨 소자 등을 이용한 고속 디지털 회로가 먼저 실현될 것으로 예측된다. 광섬유를 CPU와 메모리 연결에 사용하는 연구도 진행 중이다.

7.1. 지능을 가진 기계

오늘날 컴퓨터는 산업·사회의 중추적 역할을 하며 우리 생활 주변에 밀접하게 자리 잡았다. 다양한 미디어 활용, 사용 편의성 향상, 소프트웨어 생산성 향상 등으로 컴퓨터의 운용 분야가 확대되면서, 기존 컴퓨터 이론과 방식을 근본적으로 재검토하여 전혀 새로운 컴퓨터를 개발하려는 움직임이 활발해졌다. 이러한 요구에 따라 등장한 것이 제5세대 컴퓨터, 즉 인공지능 컴퓨터이다.

인공지능 컴퓨터는 인간처럼 생각하고, 감정을 지닌 컴퓨터가 등장할 가능성을 제시한다. 현재 인공지능 연구는 철학, 논리학, 심리학을 컴퓨터에 접목하여 인간의 지능을 구현하는 데 초점을 맞추고 있다.

이미 특정 분야에서는 전문가 시스템(엑스퍼트 컴퓨터)이 실용화 단계에 들어섰다. 예를 들어, 1975년 스탠퍼드대학의 파이겐바움 교수가 개발한 마이신(MYCIN)은 의료 진단 분야에서 뛰어난 성과를 거두고 있다.

미래의 인공지능 컴퓨터는 지식 축적, 유추, 증명, 창작 등의 능력을 갖추게 될 것으로 기대된다.

7.2. 정보에서 지식으로

제5세대 컴퓨터는 지능적인 대화나 추론 기능을 갖춘 컴퓨터 시스템을 목표로 개발되었다. 주요 특징은 다음과 같다.

⑴ 문제 해결·추론 시스템: 외부에서 주어지는 지식뿐만 아니라, 시스템에 저장된 데이터를 활용하여 컴퓨터 스스로 논리적인 추론을 통해 문제를 해결한다. 연역 및 귀납적 추론, 여러 지식 체계의 상호 보완을 통한 협력적 문제 해결 기능 등이 포함된다.

⑵ 지식 베이스 시스템: 데이터 외에도 합리적인 판단, 실험 결과 등을 체계적으로 정리한 지식을 시스템 내에 저장하고, 필요할 때 검색하는 기능을 갖춘 시스템이다.

⑶ 지적 인터페이스 시스템: 컴퓨터가 인간의 자연 언어, 음성, 도형, 이미지 등을 처리하는 능력을 갖추어, 인간과의 원활한 대화를 지원하는 기능이다. 이는 컴퓨터에 눈, 귀, 입을 부여하는 것과 같으며, 자연어 이해가 핵심이다.

이러한 특징들은 기존의 폰 노이만형 컴퓨터와는 다른 새로운 컴퓨터의 모습을 보여준다. 폰 노이만형 컴퓨터는 수치 계산 중심의 프로그램 내장 축차 처리 방식 컴퓨터로, 개발 당시 비싼 하드웨어를 단순화하여 가격을 낮추고 소프트웨어로 효율을 높이는 방향으로 만들어졌다. 진공관(제1세대), 트랜지스터(제2세대), IC(제3세대), 초LSI(제4세대)와 같이 집적도가 높아지면서 고속화, 대용량화되었고, 슈퍼 컴퓨터가 등장하였다.

초LSI의 출현으로 하드웨어 비용이 크게 절감되면서 필요한 하드웨어를 쉽게 사용할 수 있는 환경이 조성되었다. 소자의 고속화가 한계에 이르면서, 축차 처리가 아닌 동시에 여러 문제를 처리할 수 있는 병렬 처리 지향 구조가 요구되기 시작했다. 그러나 매우 복잡한 소프트웨어는 소수의 전문가만이 다룰 수 있다는 문제점이 있었다.

앞으로 음성, 문장, 도형, 이미지 등 비수치 데이터 처리가 발전하면 인간과 컴퓨터의 관계는 더욱 친밀해질 것이며, 이것이 제5세대 컴퓨터 설계의 근본적인 사상이다.

7.3. 제5세대 컴퓨터의 프로그래밍 언어

제5세대 컴퓨터의 가장 큰 문제는 프로그래밍 언어이다. 지적 프로그래밍 시스템은 컴퓨터의 지적 능력을 높여 프로그래밍 부담을 인간 대신 컴퓨터가 지도록 하는 기능이다. 제5세대 컴퓨터는 핵심 언어로 프롤로그(PROLOG)를 채택했는데, 이는 1972년 프랑스 마르세유대학의 코르멜라외 교수가 기호 논리 처리용으로 개발한 것이다. 프롤로그는 논리 기반 언어이므로 기호 처리는 물론 지식과 지식 간의 관계를 인간에게 적합한 언어로 기술한다.

새로운 설계 사상을 가진 제5세대 컴퓨터에서 핵심 언어 선택은 문제 해결, 추론 시스템, 지식 베이스 시스템, 지적 인터페이스 시스템을 구성하는 각 부분의 처리를 위한 공통 언어 선택이라는 의미에서 특히 중요하다. 제5세대 컴퓨터라는 명칭은 일본에서 유래했지만, 관련 프로젝트는 전 세계적으로 진행되고 있어 10년 후 컴퓨터의 모습은 예측하기 어렵다. 그러나 제5세대 컴퓨터는 단독 기술로는 실현 불가능하며, 여러 나라의 연구 교류가 활발히 이루어져야 한다.

이미 미국에서는 'CIS', 국방성의 'DARPA' 프로젝트, 영국은 'AIT' 고도정보 기술계획, 프랑스는 'PIA' 인공지능 개발계획이 진행 중이다. EU(유럽 공동체)는 'ESPRIT' 유럽 정보기술 연구계획을 시작했고, 일본은 국가 프로젝트로 '신세대 컴퓨터 개발 기구(약칭 ICOT)'를 설립했다. "이 계획은 실패할 가능성이 많지만, 그 방향성은 우리가 반드시 거쳐야 할 미래의 첫걸음이 될 것이다."라는 말은 제5세대 컴퓨터 연구에 대한 세계의 냉엄한 시각을 보여준다. 하지만 동시에 제5세대 컴퓨터가 세계적인 흐름으로 움직이기 시작했음을 나타낸다.