인간의 두뇌가 컴퓨터, AI와 양자 컴퓨터를 개발한 역사

예로부터 사람의 생활에는 계산이 필수적입니다. 

소유를 헤아리거나 거래량을 따질 때는 반드시 계산을 해야 합니다. 

이와 같은 계산기의 가장 오래 된 것은 인간이 계산을 위하여 지능을 사용한 역사가 됩니다.

인문학의 활용은 계산기로부터 시작 되었습니다. 

그 계산기에 논리를 적용하면 컴퓨터가 되고, 이 컴퓨터 바탕 위에 인공 신경망을 설치하여 인문학적 데이터를 학습 시키면 인공지능이 됩니다. 

이제는 양자 역학을 활용하여 양자 컴퓨터를 만들어 냅니다.

계산과 논리의 활용 역사를 살펴봅니다.

1.   계산기의 역사

디지털 계산기가 나오기 전에는 주산(주판)이 다 단위 숫자 계산에 주로 쓰였습니다. 

단 단위에서 백 내지 천 단위는 암산에 의하여 계산할 수가 있었지만, 

만 단위가 넘어가면 주산 알을 튕겨야만 계산의 정확성을 올릴 수 있기 때문입니다. 

그 계산기의 역사는 매우 오래 전부터 시작 되었습니다.

역사에 기록된 인류 최초의 계산기는 고대 로마의 핸드 아바쿠스(Roman Hand Abacus) 입니다. 

청동판에 홈을 파고 그 홈 사이에 구슬을 넣어서 계산을 하는데 주판과 비슷합니다. 

위쪽 구슬은 5를 나타내고 아래쪽 4개의 구슬은 각각 1을 나타내어 계산을 합니다.

바벨로니아와 그리스의 살라미스 태블릿(Salamis Tablet), 잉카문명의 키푸(Quipu), 영국의 네이피어 골패(Napier’s Bones), 그리고 러시아의 쇼티(Schoty) 등의 계산기가 있었습니다.

보다 편리하고 정확한 계산기를 개발하려는 인간의 두뇌는 드디어 계산하는 기계를 개발하려는 상상에 이르렀습니다.

1936년 앨런 튜링(Alan Turing)은 *인간이 종이에 연필로 계산하는 행동을 자동 기계가 할 수 있도록 하는 구상*을 하였습니다.

① 긴 테이프(Tape) : 무한히 긴 종이띠 입니다. 이 종이띠에 격자를 만들어, 1과 0 이진 숫자 또는 A, B 같은 기호를 입력합니다. 메모리(RAM, ROM) 역할입니다.

② 헤드(Read/Write Head) : 테이프 위의 한 칸에 들어있는 숫자를 읽거나(Read) 쓸(Write) 수 있으며 좌우로 이동할 수 있습니다.

③ 상태 기록기(State Register) : 기계의 현재 상태를 기억하는 장치 입니다.

④ 행동 규칙표(Transition Table) : 기계가 수행할 규칙 모음으로, 현대 컴퓨터의 프로그램 입니다.

⑤ 이 계산 장치의 작동 알고리즘은 다음 순서와 같습니다.

읽기(Input) 판단 및 변환(Control & Logic), 쓰기 및 이동(Output), 상태 전이(State Transfer). 

이렇게 *읽기→ 판단– 쓰기→ 이동을 반복하다가 정지 상태*에 도달하면 계산이 끝납니다. 

이 때 테이프에 남겨진 *0과 1 기호들의 배열*이 바로 계산 결과 입니다.

그림으로 기본 개념을 살펴 봅니다. 

이것이 튜링 머신의 기본 개념입니다.

앨런 튜링은 그 후 특정 연산을 수행하는 규칙표 자체를 기호(데이터)로 변환해서 테이프에 먼저 넣어주면 어떨까 라는 생각으로, *범용 튜링 머신(Universal Turing Machine) 개념*을 창안했습니다.

2.   컴퓨터 개발의 역사

튜링 머신을 현행 컴퓨터로 개발한 사람이 바로 존 폰 노이만(John von Neumann) 입니다.

그는 CPU(ALU, CU)+Memory(Register, Cache, RAM, ROM)+Input/Output 구조로 된 컴퓨터 시스템을 최초로 정립했습니다.

이런 컴퓨터 기본 구조를 *폰 노이만 구조(Von Neumann Architecture)*라고 합니다.

오늘날 서버 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터와 스마트폰의 *컴퓨터 아키텍처(Computer Architecture)* 기본 구조입니다.

폰 노이만 아키텍처는 그림으로 보면 이해가 쉽습니다.

컴퓨터의 핵심인 *SW(Soft Ware, 컴퓨터를 작동시키는 프로그램) & HW(Hard Ware, 컴퓨터를 구성하는 장치)*는 *ALU(Arithmetic & Logic Unit)*입니다. 

산술 계산(Computing)을 하고 논리 연산(Logic Processing)을 하는 장치입니다.

산술과 논리는 컴퓨터 연산의 기본 골격입니다. 

1+1=2는 산술이고, 어떤 일의 이치를 따져서 진리를 찾아내는 인간의 사고(思考)가 논리 입니다. 

이치(理致)는 말이나 글의 앞뒤가 맞게 서는 조리(條理)를 말합니다.

거짓말은 이치에 맞지 않고 사실과 다른 말입니다. 

오늘 이말 하고 내일 저말 하면 조리가 서지 않아, 이치가 맞지 않게 됩니다.

이런 논리를 수학적으로 풀어낸 한 천재가, 폰 노이만 아키텍처를 컴퓨터로 성능을 올리는데 결정적 역할을 했습니다. 바로 불 대수 입니다.

1)  불 대수와 전기적 회로

1854년 영국의 조지 불(George Bool)이 불 대수(Boolean Algebra)를 창안했습니다. 

1과 0, 즉 참(True)과 거짓(False) 이라는 단 두 개의 상태 만으로 세상의 모든 논리적 관계를 계산할 수 있도록 만든 수학적 체계 입니다. 그 핵심 내용을 설명합니다.

불 대수의 3대 기본 연산 : 조지 불은 인간의 사고 방식과 논리를 수학 기호로 표현하기 위하여 3가지 기본 연산자를 정의 했습니다.

① AND(논리 곱, ∙ 나 ∧ 기호 사용) : 입력된 조건이 모두 참(1) 일 때만 결과가 참이 됩니다. 

나머지는 모두 거짓이 됩니다.

② OR(논리 합, +나 ∨ 기호 사용) : 입력된 조건 중 하나라도 참(1)이면 결과가 참이 됩니다. 

조건 둘 다 거짓(0)이면 결과가 거짓이 됩니다.

③ NOT(논리 부정, 조건 A의 Bar 기호 사용) : 입력된 조건을 뒤집습니다. 

1은 0으로, 0은 1로 뒤집습니다.

불 대수 이론은 기본 논리 연산 이외에 *불 대수 공리와 불 대수 규칙*이 있습니다. 

예를 들면 *A+B=B+A, AxB=BxA* 등이 있습니다. 

불 대수는 디지털 논리회로 구성의 바탕 원리로 사용됩니다. 자세한 내용은 생략합니다.

불 대수 이론을 전기적 회로로 구현; 1937년 클로드 섀넌(Claude Shannon)이 *전기 스위치를 연결하면 불 대수의 AND, OR, NOT 논리 연산을 할 수 있다는 구상*을 실제로 증명해 내었습니다. 바로 디지털 논리회로의 길을 개척해 낸 것입니다. 

디지털 논리회로는 ALU의 근간 입니다. 

불 대수와 전기적 회로가, 폰 노이만 아키텍처를 사용하여 컴퓨터를 만드는 길을 열었습니다.

다음 회는

2. 계산기의 역사 중

2)  반도체 스위치 트랜지스터

3)  조합 논리회로 및 순차 논리회로

이어서

 3.  AI 개발 역사 및 AI 봉건주의

 4. 양자 컴퓨터 현황으로 이어집니다.