칩—현대의 전자 벽돌

아침 커피를 끓이는 디지털 커피 기계, 많은 필기 업무를 덜어 주는 소형 계산기, 새 자동차 계기판에 나타나는 여러 가지 색—이들 모두에게는 한 가지 공통점이 있다. 즉 아기의 엄지 손톱보다 별로 크지 않은 얇고 납작한 규소 칩을 사용함으로 그런 물건을 만들 수 있게 되었다.

이러한 칩은 우리가 가지고 있는 다른 여러 가지 물건—시계, TV, 라디오, 전화기, 전기 제품 및 일부 도구들—에서도 찾아볼 수 있다. 매일 사용하는 일반 가정용품에서부터 일급 군사 기밀 응용품에 이르기까지, 전자의 경이인 이 작은 보석은 세계 도처의 사람들이 살아가며 일하는 방식을 변경시키는 데 큰 역할을 한다. 하지만 규소 칩이란 도대체 무엇인가? 그것은 어떻게 등장하였는가? 그리고 어떻게 우리의 일상 생활에 정착하게 되었는가?

칩이란 무엇인가?

규소 칩은 기본적으로 전자 회로를 모아서 축소시킨 것이다. 전자 회로는 이 기사의 문장에 비교할 수 있다. 각 문장은 명사와 동사와 형용사와 같은 표준 구성 부품으로 구성된다. 이 구성 부품을 여러 방법으로 나열함에 따라, 평서문, 의문문, 심지어는 시와 같은 문장으로 결합할 수 있다. 그리고 문장을 논리적인 방식으로 결합함으로써 대화를 하거나 글을 쓴다.

전자 회로도 그와 매우 유사하다. 표준 전자 구성 부품—트랜지스터, 다이오드, 저항 등—을 여러 방법으로 나열함으로써 많은 기능을 발휘하는 전자 회로를 개발할 수 있다. 그 다음 이 전자 회로를, 온갖 종류의 유용한 전자 처리를 해내도록 수천 가지로 결합할 수 있다. 적어도 이론상으로는 그렇다.

하지만, 실제에 있어, 필요한 공간은 말할 것도 없고, 수십만개의 전자 구성 부품을 연결하는 것은 어마어마한 일이다. 과학자들이 1940년대 후반에 제 1세대 컴퓨터를 조립하였을 때 바로 그 장애물을 직면했다. ENIAC(전자 수치 적분기 겸 계산기)로 알려진, 필라델피아의 그러한 한 컴퓨터는 140평방 미터의 바닥 면적을 차지하였고, 무게가 약 30톤이나 나갔으며, 진공관은 약 19,000개가 들어 있었다! 이 거대한 기계를 가동하는 데는 100와트 전구 1,300개에 소요되는 만큼의 전력이 필요하였다. 이 기계의 전력 소모 때문에 재미있는 여러 이야기가 생겨났다. 그 기계를 가동할 때면 웨스트필라델피아의 모든 전기 불빛이 흐려지곤 했다고 한다.

그처럼 엄청나게 큰데도, ENIAC와 그와 유사한 컴퓨터들의 성능은 현재의 컴퓨터 세대와 비교할 때 단연 보잘것없었다. 오늘날 탁상용 컴퓨터는 일초에 수백만회의 연산을 수행할 수 있지만, ENIAC는 초당 약 5,000회의 덧셈 혹은 단지 300회의 곱셈 정도를 힘들게 해냈다. 그리고 오늘날의 컴퓨터는, 몇백 달러의 가격에 불과하면서도, 100,000개 이상의 수를 저장할 수 있는 충분한 내부 기억 장치를 가지고 있지만, 또 다른 초기 대형 EDVAC는 단지 1,024개의 수를 저장할 수 있었다. 어떻게 해서 오늘날의 컴퓨터는 그토록 강력한 성능을 갖추게 되었는가?

1960년대초에 작고 효율적인 트랜지스터가 등장하였다. 마침내, 컴퓨터 과학자들은 느리고 전력 소모형인 그 거대한 기계의 크기를 축소시킬 수 있었다. 거기에 더해, 또 다른 진보가 있음으로써 오늘날의 컴퓨터를 만들 수 있었다. 그 진보는 사진술계에서 왔다.

소형화와 칩

누구나 다 아는 사실이지만, 사진은 합당한 기구를 사용하여 필요에 맞게, 확대할 수도 있고 축소할 수도 있다. 근년에 와서, 컴퓨터 기술자가 컴퓨터 회로의 큰 청사진을 사진으로 작게 축소할 수 있도록 과학 기술이 개발되었다. 그러한 청사진은 대도시의 거리 계획도만큼 복잡할 수 있지만 그 크기를 축소할 경우, 콘택트 렌즈보다 작은 하나의 칩에 맞게 될 것이다. 사진은 일반 인화지가 아니라, 순수 규소의 단결정 기판에 인화하는데, 규소는 지상에서 가장 풍부한 원소 중 하나로 일반 모래에서 볼 수 있다.

규소는 몇 가지 고유한 특성으로 인해 칩을 만드는 데 애호된다. 예를 들면, 규소에 여러 형태의 화학 불순물을 첨가함으로써, 규소를 저항, 콘덴서, 심지어는 트랜지스터처럼 작용하게 만들 수 있다. 따라서 단 하나의 규소 칩의 특정 부분에 그러한 불순물을 넣음으로, 그 칩에 하나의 전자 회로 전체를 복제하는 일이 가능하다.

용해되어 정제된 모래에서 규소 결정체들을 추출하여 소시지 모양의 긴 튜브 형이 될 때까지 커지게 한다. 그 다음 결정체들을 얇게 절단하여 기판이 되게 하고 특수막을 입힌다. 큰 전자 회로의 작은 상(像)들을 기판들에 층별로 식각한다. 적당한 지점에 화학 불순물을 더한다. 그렇게 하여 칩 위에 나타나는 것은 단순한 사진이 아니라 전자 기능을 발휘하는 실제 회로로서, 그것을 집적 회로(集積回路) 또는 간단히 IC라고 부른다.

1960년대에 만들어진 집적 회로에는 약 100개의 전자 구성 부품이 들어 있었다. 이것으로써 기술자들은 연구소와 그 밖의 단체들을 위한 여행 가방 크기의 “소형” 컴퓨터를 만들 수 있게 되었다. 1970년대 말에는 십만개 이상의 구성 부품을 지닌 LSI(대규모 집적 회로) 칩이 만들어졌다. 이 칩들은 대단히 복잡하여 이론상으로는 단 하나의 LSI로도, 전자 오븐 조작이나 자동차 시동 등, 완성된 컴퓨터의 기능을 다할 수 있다. 오늘날, 컴퓨터 과학자들은 수백만개의 구성 부품을 포함하는 VLSI(초대규모 집적 회로) 칩에 관해 이야기하고 있다. 단지 0.6평방 센티미터의 칩 하나에 거의 1,600평방 킬로미터, 즉 알래스카 주의 크기의 두배에 해당하는 도시의 거리 계획도를 채워 넣는 일을 상상해 보라!

칩과 우리

칩의 사용으로 인해 복잡한 전자 장치를 생산하는 데 필요한, 지루한 납땜과 손작업을 상당히 덜게 된다. 그 결과 더 값싸고 더 믿을 만하고 더 작은 최종 생산품이 나온다. 칩의 대량 생산으로 인해, 음성 합성 장치와 같은, 특수 성능의 칩의 가격이 급격히 떨어졌기에 오늘날에는 온갖 종류의 생산품에 칩이 사용되고 있다.

그렇기 때문에, 우리는 주변 어디에나 있는 말하는 장난감, 자동 판매기, 자동차 등에 그러한 칩이 사용되고 있음을 알게 된다. 일부 나라에서는 시간을 말해 주거나 전화 번호를 알려 주는 규소로 된 전화 “교환수”도 있다! 말로 하는 지시를 이해하는 데 칩을 사용하는 소비자 생산품도 유행되고 있다. 그 중에는 눈속임 장치에 불과한 것도 있겠지만, 신체 장애자에게 필요한 도움을 많이 주는 것도 있다.

칩은 산업과 사업 분야에서도 이용되어 왔다. 공장에서는 지루하고 반복적이며 위험한 작업에서 인간을 대신할 수 있는 로봇을 조종하는 데 칩이 사용된다. 로봇은 이미 자동차 제조 분야를 크게 점유하여 용접과 페인트칠 등의 일을 하고 있다. 사무실에서는 타자기가 전자 워드 프로세서로 신속히 대치되고 있는데, 워드 프로세서는 철자를 확인하고, 서류 전체를 다시 타자하지 않고도 수정할 수 있게 해주고, 우편물 주소표를 자동으로 인쇄하기까지 한다. 하지만, 그러한 것은 축복이 될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 사무직 근로자는 지루한 일상 사무에서 해방되었을지 모르지만, 대신 컴퓨터 화면을 더 오래 보아야 한다.

한편, 규소 칩은 이 세대가 보아온 통신 과학 기술의 혁명에 현저하게 공헌하였다. 독자가 읽고 있는 이 잡지도 컴퓨터 화면상으로 기록되어 컴퓨터로 조판되고 컴퓨터의 도움으로 인쇄되었다. 참으로, 컴퓨터의 도움으로 조판하고 인쇄하도록 독특하게 고안된 MEPS 시스템(다종 언어 전산 사식 시스템)을 통하여 워치 타워 협회는 점점 더 일반화되고 가치있고 쓸모있는 전자 벽돌—규소 칩—을 다종 언어로 응용하는 일에서 앞장서고 있다.