FPGA로 계산기를 처음부터 만들어보기: 디지털 회로의 즐거움을 다시 발견하기

왜 굳이 FPGA로 계산기를?

계산기는 우리 모두가 쓰는 가장 익숙한 도구 중 하나죠. 스마트폰에도 들어 있고, 컴퓨터에도 기본 앱으로 있고, 심지어 100원짜리 동전보다 싼 칩 하나로도 만들 수 있어요. 그런데 굳이 FPGA로 계산기를 처음부터 만든다고요? Baltazar Studios의 이 프로젝트는 "왜 굳이?"라는 질문에 "그게 재밌으니까, 그리고 그 과정에서 디지털 회로의 거의 모든 기초가 다 들어가니까"라고 답하는 글이에요.

FPGA가 뭐냐면, Field-Programmable Gate Array의 약자로, 회로를 소프트웨어처럼 프로그래밍해서 바꿀 수 있는 칩 이에요. CPU는 정해진 명령어를 순서대로 실행하지만, FPGA는 하드웨어 그 자체를 매번 다시 그려 넣을 수 있어요. AND·OR 게이트, 플립플롭, 카운터, 메모리 같은 디지털 회로 블록을 코드로 묶어서 진짜 회로처럼 동작시키는 거죠. 그래서 FPGA를 배운다는 건 "내가 칩을 직접 설계해보는 것에 가장 가까운 경험"이 돼요.

프로젝트의 구성 요소

글쓴이는 계산기를 만들기 위해 거의 모든 기본 모듈을 직접 설계했어요. 우선 입력은 키패드인데, 행과 열을 빠르게 스캔해서 어떤 키가 눌렸는지 알아내는 키패드 스캐너 가 필요해요. 이게 단순해 보이지만 "채터링"이라는 골치 아픈 현상이 있거든요. 사람이 키를 누를 때 스위치가 0.001초 단위로 떨려서 한 번 눌렀는데 여러 번 눌린 걸로 감지될 수 있어요. 그래서 디바운싱(debouncing) 회로를 함께 만들어야 해요. 일정 시간 동안 같은 신호가 유지될 때만 "진짜 눌림"으로 인정하는 작은 상태 머신을 짜는 거예요.

출력은 7세그먼트 디스플레이거든요. 익숙하죠? 숫자 8자 모양으로 일곱 개 막대가 켜졌다 꺼지면서 0~9, A~F 같은 문자를 표현하는 그 부품이요. 여러 자리 숫자를 표시하려면 멀티플렉싱 기법을 써요. 사실 한 순간에는 한 자리만 켜지지만, 우리 눈이 따라가지 못할 만큼 빠르게(보통 수백 Hz) 자리 사이를 돌려가며 켜면 마치 모든 자리가 동시에 켜진 것처럼 보이는 시각 착시를 활용하는 거예요. 이걸 FPGA로 구현하려면 카운터와 디코더, 그리고 깔끔한 클록 분주(divider) 회로가 필요해요.

진짜 핵심은 연산 유닛(ALU) 이에요. 덧셈·뺄셈·곱셈·나눗셈을 처리해야 하는데, 덧셈은 비교적 간단하지만 곱셈과 나눗셈은 만만치 않거든요. FPGA에 내장된 DSP 블록을 쓰면 곱셈은 한 사이클에 처리할 수 있고, 나눗셈은 시프트-앤-서브 방식이나 비복원 알고리즘으로 여러 사이클에 걸쳐 결과를 구하는 게 일반적이에요. 이 모든 걸 한 데 엮는 게 유한 상태 머신(FSM) 이에요. "숫자 입력 → 연산자 입력 → 두 번째 숫자 입력 → = 누르면 계산하고 표시"라는 전체 흐름을 상태와 전이로 정의해서 회로로 펼쳐내는 거예요.

왜 이 프로젝트가 좋은 학습 자료인가

계산기 프로젝트의 매력은 디지털 회로의 거의 모든 핵심 개념이 적당한 크기로 한 번에 모인다 는 점이에요. 입력 처리, 디바운싱, 클록 도메인, 상태 머신, 산술 회로, 출력 멀티플렉싱이 모두 들어가요. 너무 작지도 너무 크지도 않아서 한 주에서 몇 주 사이에 완성할 수 있고, 결과물이 시각적이라 동기 부여도 좋아요. 글쓴이는 Verilog 또는 SystemVerilog로 모듈을 하나하나 작성하면서, 시뮬레이터(Verilator나 Icarus)에서 파형(waveform)을 보고 동작을 검증한 다음에 실제 보드에 합성해서 올렸어요.

실제 보드는 Lattice, Xilinx Spartan, Intel Cyclone 같은 입문용 FPGA 보드가 많이 쓰여요. 요즘은 오픈소스 툴체인(Yosys, nextpnr) 덕분에 라이선스 없이도 합성·배치·라우팅이 가능한 환경이 많이 늘었어요. 이게 정말 큰 진입 장벽 완화거든요. 예전엔 벤더 툴이 무겁고 라이선스 이슈도 있어서 취미로 하기 부담스러웠는데, 이제는 "보드 사고, 오픈소스 툴 설치하고, 코드 짜면 끝"이라는 흐름이 가능해졌어요.

업계 맥락: FPGA의 재발견

FPGA는 통신 장비와 군용·항공 분야에서 오래 쓰여 왔지만, 최근에는 AI 가속, 고빈도 트레이딩(HFT), 데이터센터 네트워킹, 영상 처리 같은 분야에서 다시 주목받고 있어요. AMD가 Xilinx를 인수하고, Intel이 Altera를 분사·재편하는 등 시장 자체가 활발히 움직이는 중이고요. 한편으로는 취미·교육용 FPGA 시장도 커지고 있어요. TinyTapeout처럼 실제 칩에 자기가 만든 회로를 올려볼 수 있는 프로젝트도 있고, ULX3S·iCEBreaker 같은 저렴한 보드가 많이 나오면서 학생·취미가들이 접근하기 쉬워졌어요.

계산기 같은 작은 프로젝트가 의미 있는 이유는 "FPGA 학습 곡선의 첫 봉우리"를 잘 만들어주기 때문이에요. LED 깜빡이기에서 멈추지 않고, 진짜 "내가 쓸 수 있는 기기"를 만들어보는 경험이 다음 단계(소프트 CPU 구현, 자체 ISA 설계, 비디오 신호 생성 등)로 넘어가는 디딤돌이 돼요.

한국 개발자에게 주는 시사점

한국에서도 임베디드·반도체 분야가 강세인 만큼, FPGA 경험은 분명히 유용한 자산이에요. 첫째, CS의 바닥을 다지는 데 좋아요. CPU가 어떻게 동작하는지 "개념"으로만 알던 것을 "실제로 만들어보는" 경험으로 바꿔주거든요. 둘째, 하드웨어/소프트웨어 양쪽을 보는 개발자 의 가치가 올라가고 있어요. 특히 AI 가속기, 자율주행, 로보틱스 쪽에서는 FPGA 또는 ASIC 설계 이해가 큰 차별점이 돼요. 셋째, 취미로도 즐겁다 는 점. 계산기, 미니 게임기, 빈티지 컴퓨터 재현 같은 프로젝트는 결과물이 손에 잡히고 보드 위에서 깜빡이니까 모티베이션이 좋아요.

시작하고 싶다면 입문용 보드 하나 사고, Nand2Tetris나 Digital Design and Computer Architecture 같은 책을 같이 보면서 작은 모듈부터 만들어보는 걸 추천해요. 글쓴이의 계산기 글은 그 여정의 좋은 이정표 역할을 할 수 있어요.

마무리

한 줄 정리: FPGA로 계산기를 만드는 건, 디지털 회로의 거의 모든 기초를 한 번에 손으로 만져보는 가장 좋은 통로 예요.

여러분은 학교나 취미로 하드웨어 설계를 해본 경험이 있으신가요? 만약 지금 FPGA를 처음 시작한다면 어떤 프로젝트로 시작하고 싶으세요?