CPU 작동 원리

CPU 작동 원리

배운지 한참되서 가끔 헷깔릴때가 있습니다

그 중 CPU 관련 설명을 우연히 유튜브 영상 접했는데

그림으로 잘 설명되어 있고 회로레벨부터 전반적으로 조립해주니 재밌네요

마침 연구실에서 센서네트워크 노드 땜질하면서

혼자 궁금해서 찾아봤던 내용과 겹치기도해서

기존에 정리한 내용과 영상 내용으로 새로 정리해봅니다

CPU

CPU

- Central Processing Unit

- 중앙 처리 장치

- 기억, 해석, 연산, 제어 수행

CPU와 RAM은 반도체로 구성됩니다

- 도체 : 비저항이 작아 전기가 잘 통하는 물체

- 부도체 : 비저항이 높아 전기가 잘 통하지 않는 물체

- 반도체 : 도체와 부도체의 중간 정도로 전기가 통하는 물체

반도체는 주로 실리콘으로 구성

실리콘은 최 외각전자가 4개

다른 실리콘 원자들과 전자를 공유하며 단단하게 결합 됨

원자는 최 외각 전자가 8개 일때 가장 안정적인 구조임

서로 안정적으로 단단하게 결합되어 있으면 전자가 이동하지 않음 => 전류가 흐르지 않음

즉, 순수한 실리콘은 전류가 통하기 어려움

때문에 실리콘보다 전자가 많거나 적은 원소를 첨가해 전류를 통하게 만들어줌

실리콘에 전자가 적은 원소를 첨가하면, 존재하는 전자들이 빈 곳으로 이동하며

전자의 이동 방향과 반대 방향으로 전류가 흐름

- 양공 : 양전하를 띈 구멍

실리콘에 전자가 한개 많은 원소를 첨가하면, 남는 전자가 자유롭게 이동하며 전류가 흐름

전자가 많은 원소는 P(positive)형 반도체

전자가 적은 원소는 N(negative)형 반도체

P형과 N형 반도체 둘을 연결하면 N형의 남는 전자가

P형의 양공에 끌려 결합하게됨

중성 상태로 시작한 P형 반도체 중 전자와 결합된 원자는 음전하가됨

일정 순간부터 음전하 벽이 생겨 더이상 전자가 넘어오지 못함

중성 상태로 시작한 N형 반도체 중 전자를 잃은 원자는 양전하가되며

일정 순간부터 양전하 벽이 생겨 양공이 넘어오지 못함

이동 가능한 전자들이 없어지고 이를 공핍영역이라함

공핍영역 가장자리에 서로 다른 전하를 가진 면이 생기고

+에서 -로 전기장이 생성됨

여기서 전지를 위와 같이 연결하면

P형 반도체의 양공이 -극 쪽으로(<-)

N형 반도체의 전자가 +극 쪽으로(->)

이동하게 되고, 공핍 영역이 확대되어 전하의 이동이 없어짐

위와 같이 전지를 반대로 걸어주면

P형 반도체의 양공이 -극 쪽으로(->)

N형 반도체의 전자가 +극 쪽으로(<-)

이동하게 되고, 전류가 흐름

물론 전자가 이동하다가 중간에서 공핍영역을 만나지만

인공적으로 걸어주는 전압이 강해 넘어갈 수 있음

즉, 전류가 흐르게 하려면 같은 전하를 가진 전압을 연결하면됨! = 순방향 연결

전류가 흐르지 못하게 하려면 반대 전하로 전압을 연결하면됨! = 역방향 연결

반도체는 전기를 끊었다 연결했다 ON/OFF하는 트랜지스터로 구성됨

CPU 안에 트랜지스터의 수가 충분하면 0, 1으로 모든 계산이 가능

=> 트랜지스터가 많을수록 성능 UP

[reference]

from http://syntaxsugar.tistory.com/21 by ccl(A) rewrite - 2021-08-03 05:00:48