디지털 논리를 배울 때, AND게이트가 가장 직관적으로 이해하기도 쉽고 컴퓨터를 만들 때 가장 많이 사용된다. 그러나 실제로 우리는 NAND게이트를 가장 먼저 배워야하는데 그 이유는 NAND게이트가 가장 만들기 쉬워서 그렇다는 현실적인 이유가 있다. 컴퓨터 안에는 무수히 많은 게이트가 들어가기 때문에 게이트를 만들어야 한다면 만드는 과정이 쉽고 소자도 적어야 한다. 그래야 값싸고 안정적으로 만들 수 있기 때문이다. NAND게이트가 바로 이런 조건을 만족한다. 컴퓨터 안에 있는 모든 부품이나 장치는 NAND게이트 여러 개를 잘 연결하면 만들 수 있다.
NOT게이트는 NAND게이트 1개만 있으면 만들 수 있고, AND게이트는 NAND게이트 2개만 있으면 만들 수 있다. 즉, NAND게이트는 컴퓨터를 만들기 위한 기본 요소라는 것을 기억해야한다. NAND게이트에 들어가는 입력이 모두 on이면 출력은 off이고 1개 이상의 입력이 off라면 출력은 on이 된다. 컴퓨터 안에는 비트만 존재하고 이 간단한 장치도 그저 비트들이 왔다 갔다 하는 장소에 불과하다. 이 장치가 하는 일이란 그저 비트를 어떻게 켜고 끌지 결정하는 게 전부이다.
여기서 의구심이 드는 사람도 있을 것이다. '입력 2개 모두가 off면 출력은 on이다.' 그런데 입력이 모두 off면 출력으로 나갈 전류는 어떻게 공급받는 것이지? 답은 '장치에 출력을 내보낼 전원이 별도로 연결되어 있어서 문제없다.'이다. 집을 둘러보세요 생활 가전이나 탁상 조명 같은 것을 꽂는 코드에는 핀이 2개 붙어 있는 것을 볼 수 있다. 이 장치에도 전선이 한 쌍 연결되어 있는데 전선 하나는 전류가 항상 흐르는 곳에 연결되어 있고, 다른 하나는 전류가 항상 흐르지 않는 곳에 연결되어 있다. 이렇게 출력으로 내보낼 전기를 공급받을 수 있다.
출력 전원이 별도로 연결된다는 의미
컴퓨터 내부의 논리 회로는 단순히 신호의 ON/OFF만 결정하는 것이 아니라, 실제로 전류가 흐를 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해 전원이 항상 공급되는 전선과 접지(GND, 전류가 흐르지 않는 전선)가 필요하다.
비유적으로 보면, 집에서 사용하는 전자기기(예: 전등)도 전선 두 개(라이브 전선과 뉴트럴 전선)를 이용해 전력을 공급받는다. 컴퓨터 내부에서도 논리 회로가 동작하기 위해 전원 공급선과 접지가 필요합니다.
즉, 논리 게이트 자체는 단순히 신호를 결정하는 역할을 하지만, 실제 전기를 흐르게 하는 부분은 별도로 연결된 전원 공급 시스템이 담당한다는 뜻입니다.
비트 메모리(Bit Memory)란?
비트 메모리는 1비트(0 또는 1)를 저장하는 가장 기본적인 저장 장치이다. 컴퓨터의 메모리는 결국 수많은 비트 단위의 저장 공간이 모여 있는 구조입니다.
1. 비트 메모리의 동작 원리
비트 메모리는 전기가 흐르는지(1) 흐르지 않는지(0)를 기반으로 데이터를 저장한다.
이를 구현하는 방식은 여러 가지가 있지만, 대표적인 예는 다음과 같다.
✅ SRAM (Static RAM, 정적 RAM)
- 플립플롭(flip-flop)이라는 전자회로를 사용하여 1비트를 저장
- 전원이 꺼지지 않는 한 데이터가 유지됨
- 빠르고 전력 소모가 적지만, 비용이 비싸고 용량이 제한적
✅ DRAM (Dynamic RAM, 동적 RAM)
- 축전기(capacitor)에 전하를 저장하여 1비트를 표현
- 시간이 지나면 전하가 방전되므로 주기적으로 새로 저장(refresh)해야 함
- 저렴하고 고용량이 가능하지만, 속도가 느리고 전력 소모가 많음
✅ 플래시 메모리 (SSD, USB, SD카드 등)
- 전자가 NAND 게이트에 저장되는 방식으로 1비트를 보관
- 전원이 꺼져도 데이터 유지 가능
- 비휘발성이지만, 읽기/쓰기 속도가 RAM보다는 느림
2. 비트 메모리의 확장
컴퓨터는 1비트 단위로 데이터를 저장하는 것이 아니라, 여러 개의 비트를 묶어서 사용한다.
- 1바이트(Byte) = 8비트
- 1KB (킬로바이트) = 1024바이트
- 1MB (메가바이트) = 1024KB
- … (이런 식으로 확장됨)
예를 들어, "A"라는 문자는 1비트로 저장할 수 없고, 보통 8비트(1바이트)로 표현된다.
3. 비트 메모리의 역할
- CPU의 캐시 메모리 (빠른 데이터 저장 및 연산)
- RAM (작업 중인 데이터 저장소)
- 하드디스크, SSD (장기 저장 장치)
- 임베디드 시스템 (작은 기기에서 메모리를 최소화하여 사용)
결국, 비트 메모리는 컴퓨터에서 모든 데이터 저장의 기본 단위가 된다. 😊
다음 번에는 가장 단순한 1 비트 메모리를 NAND게이트로 어떻게 표현하고 어떻게 작동하는지 알아보도록 하자.