리짜르도의 즐거운 인생 이야기

컴퓨터가 숫자를 사용하는 방법에 대해 알아보자

파동, 전자기장, 입자, 전자, 미립자(쿼크)는 컴퓨터에서 측정, 비교, 가산, 감산 등의 연산을 수행하는 요소이다. 컴퓨터의 뛰어난 연산 능력은 어떤 면에서는 덜 똑똑한 유기체인 사람에게 전달되어야 한다. 안타깝지만 컴퓨터의 모국어는 숫자이며 대다수의 사람들은 대수학 II를 배운지 며칠 안에 더 이상 숫자에 대해 생각하고 싶어 하지 않는다. 컴퓨터 세계의 일원이 될 수 있을 만큼 사람이 숫자에 능숙하지 않기 때문에 컴퓨터는 숫자를 이용해 사람이 이해하는 방식으로 세상을 재현하는 방법을 만들어냈다. 수로 표시된 구조가 너무 자연스러워 0과 1로만 구성되어 있다는 사실을 사람은 거의 알아채지 못한다.
 
우리가 사는 세상을 살펴보는 방법에는 아날로그와 디지털 두 가지가 있다. 아날로그 장비는 측정하고 있는 대상과 비슷한 방식으로 측정치를 나타낸다. 아날로그 장비인 구식 온도계는 빨간색으로 물들인 알코올로 채운 유리관이 있다. 온도계가 따뜻해지면 알코올이 유리관 안에서 상승한다. 유리관에 표시된 눈금을 보고 사람의 체온이 “약 36.5°”라고 말할 수 있다. “약”이라고 한 이유는 온도계를 만들 때의 정밀도와 시력의 정확도에 따라 다르기 때문이다.
 
디지털 온도계에는 서미스터(thermistor)라고 하는 전기 부품이 있다. 온도가 올라가면 서미스터의 전류 저항이 줄어들어, 온도를 표시하는 숫자로 전기량을 변환하는 미니프로세서의 전기 흐름이 증가한다. 이 숫자를 화면에 표시하지만 아날로그 온도계와는 달리 온도 변화에 따라 숫자가 팽창하거나 수축하지 않는다.

최근 컴퓨터는 대부분 디지털이다. 데이터를 조작하는 트랜지스터는 켜져 있거나 꺼져 있을 뿐 중간의 상태에 있지 않는 디지털이기 때문이다. 그러나 디지털 컴퓨터는 간혹 아날로그로 측정한 값을 디지털로 변환해야 하기도 한다.
 
컴퓨터를 기반으로 한 디지털 카메라는 필름 대신 이미지 센서를 사용한다. 이는 사진 에너지를 전기 에너지로 변화하는 물질이 들어있는 트랜지스터인 포토다이오드를 포함하고 있는 마이크로칩이다. 각각의 포토다이오드는 셔터가 열려 있는 동안 전하를 축적하면서 빛의 광자를 수집한다. 장면이 밝을수록 더 많은 광자가 그 장면을 찍는 픽셀에 모아진다. 셔터를 닫으면 모든 픽셀은 각 포토다이오드에 도달한 광자 수에 비례하는 전하를 갖는다. 작거나 큰 양동이 안에 빛이 나는 자갈 더미에 쌓여 있는 광자를 상상해보면 이해가 갈 것이다.
 
카메라의 회로는 이미지 센서로 수집한 전하를 증폭기를 통과하는 단일 열로 이동시킨다. 증폭기는 희미한 정전기 전하에 불과할 정도로 작은 전하를 변경되는 전하의 열에 비례해 다양한 전압을 갖는 전류로 바꾼다.
 
전류는 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter, ADC)로 전달된다. ADC는 통과하는 전류의 전압을 몇 밀리초마다 측정한다. 전압이 어느 수준 이상이 되면 ADC는 1비트를 생성하여 다른 구성요소로 전달하는 일련의 디지털 값에 추가한다. 전압이 그 수준보다 낮으면 ADC는 0비트를 추가한다.