전자공학과·전기전자공학과

CONTENTS

“스마트폰 하나에 몇 개의 트랜지스터가 들어갈까요? 100억 개입니다. 머리카락 굵기의 1만분의 1 크기로 새겨진 회로들. 이 미세한 세계를 설계하고 제어하는 학문이 전자공학입니다. 전자의 흐름을 다루는 물리학부터, 반도체를 설계하는 공학까지. 가장 작은 것을 다루지만, 가장 큰 산업을 만들어냅니다.”

4학년

전자공학과
반도체부터 AI까지,
미래를 설계하는 학과

“스마트폰 하나에 몇 개의 트랜지스터가 들어갈까요? 100억 개입니다. 머리카락 굵기의 1만분의 1 크기로 새겨진 회로들. 이 미세한 세계를 설계하고 제어하는 학문이 전자공학입니다. 전자의 흐름을 다루는 물리학부터, 반도체를 설계하는 공학까지. 가장 작은 것을 다루지만, 가장 큰 산업을 만들어냅니다.”

반도체공학이 칩 하나를 설계할 때, 전자공학는 그 칩이 들어갈 시스템 전체를 설계합니다. 보스턴 다이내믹스의 로봇 개가 공중제비를 넘는 순간, 수십, 수백개의 모터가 실시간으로 제어되고 있습니다. 테슬라가 스스로 주차할 때, 센서 데이터가 0.001초 만에 분석되고 있습니다. 스마트폰 디스플레이가 당신의 손가락을 인식하는 순간, 터치 센서와 드라이버 IC가 대화하고 있습니다.

CPU, GPU, 메모리를 설계하는 것에서 멈추지 않습니다. 그 칩들을 연결하고, 센서로 세상을 감지하고, 모터로 움직임을 만들고, 디스플레이로 정보를 보여줍니다. C언어로 임베디드 시스템을 코딩하고, Python으로 신호를 분석하고, Verilog로 회로를 설계합니다. 하드웨어와 소프트웨어 사이. 전력과 신호 사이. 기계와 전자 사이. 모든 경계를 넘나듭니다.

자동차, 항공기, 로봇, 드론, 스마트폰, 디스플레이, 의료기기, 국방무기. 전자공학이 들어가지 않은 산업은 없습니다. 반도체가 뇌라면, 전자공학은 몸 전체를 설계하는 학문입니다. 생각만 하는것이 아니라, 움직이고, 날아가고, 보여주는 시스템. 전자공학은 그 모든 것을 가능하게 합니다.

항공기 한 대에는 수백만 개의 전자 부품이 들어갑니다. 보잉 787은 ‘날아다니는 컴퓨터’라고 불립니다. 기체 무게의 절반이 전자시스템 입니다. 조종석 디스플레이, 엔진 제어 컴퓨터, 자동 착륙 시스템, 블랙박스. 3만 피트 상공에서 시속 900km로 비행하는 동안, 수천 개의 센서가 실시간으로 데이터를 보내고 비행 컴퓨터가 0.01초 만에 상황을 판단합니다. 파일럿이 조종간을 움직이는 순간, 센서가 신호를 읽고 액추에이터가 날개를 움직입니다. 하늘을 나는 기계를 실제로 조종하는 건 전자공학입니다.

전자공학과, 다섯 개의 세계!

전자공학과 - 반도체·HBM 트랙

스마트폰 16GB 메모리는 영화 4편을 동시에 펼쳐놓을 수 있는 공간입니다. 소설책 8만 권, 사진 8천 장이 손톱만 한 칩 하나에 들어가는데, 어떻게 이게 가능할까요?

메모리 칩 안에는 수백억 개의 트랜지스터가 들어갑니다. 하나하나가 0과 1을 기억하는 스위치인데, 이 스위치를 3나노미터 크기로 만듭니다. 머리카락 굵기의 3만분의 1이니 현미경으로도 안 보이는 크기죠. 반도체 엔지니어는 이 미세한 회로를 설계하고, 컴퓨터로 시뮬레이션하고, 불량을 검증하고, 양산 공정까지 만들어냅니다.

하지만 AI 시대가 오면서 문제가 생겼습니다. ChatGPT가 답을 생성하는 순간 GPU는 초당 수조 번 계산을하는데, 16GB 메모리로는 턱없이 부족합니다. 80GB, 160GB가 필요하죠. 그런데 용량만 늘린다고 해결될까요? 아닙니다. 아무리 GPU가 빨라도 메모리에서 데이터를 가져오는 속도가 느리면 의미가 없습니다. 병목이 생기니까요.

그래서 등장한 게 HBM입니다. High Bandwidth Memory, 초고속 메모리죠. 기존 메모리는 평면에 옆으로 늘어섰지만 HBM은 다릅니다. 메모리 칩을 8층, 12층 아파트처럼 수직으로 쌓아 올립니다. 실리콘 웨이퍼에 머리카락 굵기의 100분의 1 크기의 구멍을 수만 개 뚫어서 위아래 층을 연결하죠.

거리가 짧아지니 당연히 속도가 빨라집니다. 기존 메모리보다 13배나 빠른데, 초당 819GB 데이터를 전송할 수 있으니 1초에 영화 200편을 옮기는 셈이죠. 전력 사용도 절반으로 줄어들고, 당연히 발열도 줄어듭니다.

SK하이닉스가 세계 1위입니다. 점유율 50%를 차지하고, 삼성전자가 2위로 30%를 가져갑니다. 연간 시장 규모만 20조 원인데, NVIDIA H100 칩에 들어가는 HBM을 한국 기업이 만들고 있습니다. ChatGPT를 학습시키는 슈퍼컴퓨터 심장에 한국산 HBM이 들어가 있는 거죠.

통신·네트워크

이제 통신 이야기를 좀 해볼까요? 지금 이 글을 스마트폰으로 읽고 있다면, 데이터가 공중을 날아와서 화면에 글자를 띄우고 있는 겁니다.

유튜브를 틀면 영상 데이터가 기지국에서 날아옵니다. 1초에 수백 메가바이트씩 날아오는데, 전파로 바뀌어서 공중을 통과하고 다시 디지털 신호로 복원됩니다.

이 모든 게 0.1초 안에 일어나죠. 5G 기지국 하나가 커버하는 범위는 반경 500미터인데, 그 안에서 수천 명이 동시에 영상을 보고 통화하고 게임합니다. 어떻게 섞이지 않을까요?

주파수를 나눕니다. FM 라디오가 88.1MHz, 89.1MHz로 나뉘듯이, 5G도 수백 개 채널로 쪼갭니다. 각 사용자에게 0.001초씩 시간을 나눠주기도 하죠. 안테나 설계, 신호 처리, 변조 복조 알고리즘. 모두 전자공학입니다.

위성통신도 많이 발전하고 있죠. 일론 머스크의 스타링크는 지구 저궤도에 인공위성 5천 개를 띄웠습니다. 어디서든 인터넷이 됩니다. 사막 한가운데서도, 태평양 한가운데 배 위에서도 100Mbps 속도가 나옵니다. 위성이 시속 2만 7천 킬로미터로 움직이는데 신호를 추적해서 안테나가 자동으로 방향을 바꿉니다.

6G도 옵니다. 2028년쯤 상용화되는데, 속도가 5G보다 50배 빠릅니다. 50배? 상상이 잘 안되죠. 홀로그램 영상통화가 가능해지고, 자율주행차끼리 실시간으로 대화합니다. 전 세계가 빠르게 하나의 네트워크로 연결되고 있습니다.

제어·로봇

보스턴 다이내믹스의 로봇 개 스팟이 계단을 오릅니다. 넘어지면 스스로 일어납니다. 공을 던지면 받아서 돌려줍니다. 휴머노이드 로봇 아틀라스는 공중제비를 넘습니다. 두 발로 뛰고, 상자를 옮기고, 사람처럼 균형을 잡습니다.
몸무게 80kg인 로봇이 점프해서 착지하는 순간, 28개 관절이 동시에 움직이고 있습니다. 센서가 끊임없이 세상을 읽고, 컴퓨터가 판단하고, 모터가 움직입니다. 0.001초마다 반복됩니다.

로봇 다리 하나에 모터가 세 개 들어갑니다. 각 모터를 정밀하게 제어해야 넘어지지 않습니다. 균형을 잡으려면 자이로 센서가 기울기를 측정하고, 가속도 센서가 움직임을 감지하고, 제어 알고리즘이 0.001초 만에 계산해서 모터에 명령을 내려야 합니다.

자율주행차도 마찬가지입니다. 카메라, 라이다, 레이더가 주변을 스캔합니다. 초당 수백만 개 데이터 포인트가 들어오는데, 어느 게 사람이고 어느 게 표지판인지 판단하고, 핸들을 얼마나 꺾을지 브레이크를 얼마나 밟을지 계산합니다. 시속 100km로 달리는 동안 0.01초마다 판단합니다. 판단이 늦으면 어떻게 될까요? 아마도 아주 큰 사고가 날걸니다.

드론은 바람이 불면 기울어지는데, 네 개 프로펠러 회전 속도를 실시간으로 조절해서 자세를 유지합니다. GPS 신호로 위치를 파악하고, 목표 지점까지 최적 경로를 계산하고, 장애물을 피하며 날아갑니다. 그리고 이제는 특정 사람이나 목표물을 추적하고 공격하는 무기로 진화하고 있습니다.

PID 제어, 칼만 필터, 피드백 루프. 제어공학 이론이 로봇을 움직입니다. 센서로 읽고, 알고리즘으로 판단하고, 액추에이터로 실행합니다. 생각하고 움직이는 기계, 모든 게 전자공학으로 제어됩니다.

전력·에너지

발전소에서 만든 전기가 집까지 오는 과정을 생각해보면, 수백 킬로미터를 이동합니다. 발전소는 2만 볼트로 전기를 만드는데, 송전선은 34만 볼트로 보냅니다. 전압을 높이면 손실이 줄어들거든요. 변전소는 그걸 다시 2만 볼트로 낮추고, 전봇대 변압기에서 220볼트로 다시 낮춥니다. 이 모든 과정이 전력공학입니다.

테슬라 모델 3 배터리는 75kWh입니다. 집 전체를 3일 동안 쓸 수 있는 전기량이죠. 이 배터리를 충전하고, 방전하고, 온도를 관리하고, 수명을 늘리는 게 배터리 관리 시스템, BMS입니다. 배터리 셀 4천 개가 직렬과 병렬로 연결되어 있는데, 하나라도 과열되면 불이 납니다. 정교한 센서가 각 셀의 전압과 온도를 실시간으로 감시해야 하는 이유입니다.

전기차가 달릴 때는 인버터가 배터리의 직류 전기를 교류로 바꿔서 모터를 돌립니다. 브레이크를 밟으면 반대로 모터가 발전기가 되어 전기를 회수합니다. 회생 제동이라고 하죠. 전력 변환 효율이 95% 이상이어야 배터리가 오래 갑니다. 태양광 발전도 비슷합니다. 햇빛이 태양광 패널에 닿으면 직류 전기가 생기는데, 가정에서 쓰려면 교류로 바꿔야 합니다. 인버터가 그 일을 하죠. 구름이 지나가면 전력이 급변하는데, 스마트 그리드가 실시간으로 전력 흐름을 조절합니다.

풍력발전은 바람의 세기에 따라 발전기 회전 속도를 제어하고, 조력발전은 밀물과 썰물 타이밍에 맞춰 터빈을 돌리고, 수력발전은 댐 수위에 따라 전력 출력을 조절합니다. 원자력발전소는 핵분열 속도를 정밀하게 제어해야 합니다. 이 모든 제어와 변환 과정에 전력반도체가 들어갑니다. IGBT, MOSFET 같은 전력반도체 소자가 수십만 볼트 전력을 0.001초 만에 켜고 끕니다. 전기를 만들고, 전달하고, 변환하고, 저장하는 모든 과정에 전기전자공학이 있습니다.

임베디드·Edge AI

마지막으로 임베디드 시스템입니다. 스마트폰 카메라로 사진을 찍는 순간을 생각해보세요. 렌즈를 통해 들어온 빛이 센서에 닿고, 0.1초 만에 수십 가지 일이 벌어집니다. 어디가 사람 얼굴인지 인식하고, 배경을 자동으로 흐리게 처리하고, 피부톤을 보정하고, 밤인데도 밝게 만듭니다. 이 모든 계산이 어디서 일어날까요? 클라우드 서버가 아닙니다. 손 안의 칩에서 끝납니다.

Edge AI라고 합니다. 기기 자체에서 AI를 돌립니다. 아이폰 얼굴 인식도 그렇습니다. 얼굴을 스캔하고 3만 개 점을 찍고 패턴을 분석하는데, 데이터를 애플 서버로 보내지 않습니다. 폰 안 칩에서 모든 계산이 끝나고, 0.01초 만에 잠금이 풀립니다. 인터넷이 없어도 작동합니다. 프라이버시도 지켜집니다.

테슬라 자율주행도 마찬가지입니다. 카메라 8개가 초당 수백만 프레임을 찍는데, 그 데이터를 서버로 보내면 늦습니다. 차 안 AI 칩이 실시간으로 분석합니다. 저게 사람인지 표지판인지 판단하고, 핸들을 꺾을지 브레이크를 밟을지 결정합니다. 시속 100km로 달리는 동안 0.01초마다 판단하는데, 네트워크 지연은 용납되지 않습니다.

손바닥만 한 칩 하나에 CPU, GPU, NPU가 다 들어갑니다. NPU는 Neural Processing Unit, AI 전용 프로세서입니다. 초당 수조 번 계산하는데 전력은 1와트도 안 씁니다. 마이크로컨트롤러에 C언어로 코딩하고, AI 모델을 최적화하고, 센서 데이터를 실시간으로 처리합니다. 스마트폰, 드론, 로봇, 자율주행차. 모든 기기가 스스로 생각하기 시작했습니다.

냉장고, 세탁기, 에어컨, 전기밥솥, 현관 도어락, 가스밸브, 전등 스위치. 이런 것들도 임베디드입니다. 센서로 감지하고, 작은 컴퓨터가 판단하고, 모터나 밸브를 제어하죠. IoT, 사물인터넷입니다. 집 안 곳곳에 마이크로컨트롤러가 숨어 있습니다. 모든 사물이 똑똑해지는 시대입니다. 이 모든게 전자공학의 산물입니다.

전자공학과, 무엇을 배우나?

1~2학년 기초

1학년 때는 기초를 다집니다. 미적분, 선형대수, 일반물리학. 고등학교 수학과 물리를 다시 배우는데, 난이도가 다릅니다. 미적분에서는 편미분, 중적분, 벡터 미적분까지 나오고, 물리학에서는 전자기학, 파동, 양자역학 기초를 배웁니다. 그리고 회로이론이 시작됩니다. 저항, 커패시터, 인덕터. 키르히호프 법칙으로 전압과 전류를 계산하고, 오실로스코프로 신호를 관찰합니다. 처음에는 LED 하나 켜는 것도 신기한데, 학기 말이 되면 증폭기 회로를 설계하게 될겁니다.

이제 공부했으니까 시험문제 한번 풀어볼까요? 대충 20분 정도 안에 풀어야 합니다.

1학년 - 회로이론 (Circuit Theory)

난이도: ★★★☆☆☆☆☆☆☆ (3/10)

회로이론은 전기전자공학의 가장 기본이 되는 과목입니다. 전압, 전류, 저항의 관계를 다루는 옴의 법칙부터 시작해서, 복잡한 회로를 분석하는 방법을 배웁니다.

문제 :

아래 회로에서 저항 $R_{1} = 10 Ω$ , $R_{2} = 20 Ω$ , $R_{3} = 30 Ω$ 이 있다. $R_{2}$ 와 $R_{3}$ 는 병렬로 연결되어 있고, 이 병렬 조합이 $R_{1}$ 과 직렬로 연결되어 있다. 전압원 $V_{s} = 60 V$ 가 인가되어 있을 때 다음을 구하시오.

(1) $R_{2}$ 와 $R_{3}$ 의 병렬 등가 저항 $R_{23}$ 을 구하시오.
(2) 회로 전체의 등가 저항 $R_{t o t a l}$ 을 구하시오.
(3) 전압원에서 공급하는 총 전류 $I_{t o t a l}$ 을 구하시오.
(4) $R_{1}$ 에 걸리는 전압 $V_{1}$ 을 구하시오.
(5) $R_{2}$ 에 흐르는 전류 $I_{2}$ 를 구하시오.

필요한 지식:

옴의 법칙: $V = I R$
직렬 저항: $R_{t o t a l} = R_{1} + R_{2} + R_{3}$
병렬 저항: $R ^{t o t a l} 1 = R ^{1} 1 + R ^{2} 1$
전압 분배, 전류 분배

난이도 설명:

고등학교 물리에서 배운 옴의 법칙과 저항의 직렬·병렬 연결 개념을 적용하는 문제입니다. 단계별로 차근차근 계산하면 어렵지 않습니다. 병렬 저항 공식만 정확히 적용하면 됩니다. 전기전자공학과에 입학하면 가장 먼저 마주치는 유형의 문제이고, 이후 모든 회로 해석의 기초가 됩니다.

1학년 - 물리학 (Physics)

난이도: ★★★☆☆☆☆☆☆☆ (3/10)

전기전자공학과에서 배우는 물리학은 전자기학에 집중되어 있습니다. 전기장, 자기장, 그리고 이들이 어떻게 상호작용하는지를 배웁니다.

문제 :

진공 중에서 두 개의 점전하 $q_{1} = + 3 μ C$ , $q_{2} = - 5 μ C$ 가 $d = 0.2 m$ 떨어져 있다. 쿨롱 상수 $k = 9 \times 1 0^{9} N\cdotpm^{2} / C^{2}$ 일 때 다음을 구하시오.

(1) 두 전하 사이에 작용하는 정전기력(electrostatic force)의 크기를 구하시오.
(2) 이 힘은 인력인가 척력인가?
(3) $q_{1}$ 으로부터 $0.1 m$ 떨어진 지점( $q_{2}$ 쪽으로)의 전기장 세기를 구하시오.

필요한 지식:

쿨롱 법칙: $F = k r ^{2} ∣ q ^{1} q ^{2} ∣$
전기장: $E = k r ^{2} ∣ q ∣$
벡터의 방향 (인력/척력)

난이도 설명:

고등학교 물리II에서 배운 쿨롱 법칙을 적용하는 문제입니다. 공식에 숫자를 대입하고 계산하면 되므로 개념적으로 어렵지 않습니다. 다만 단위 환산( $μ C$ 를 C로)과 과학적 표기법을 다루는 데 익숙해야 합니다. 전기전자공학의 기본 중의 기본이며, 전기장 개념은 이후 전자기학, 반도체 물리학에서 계속 사용됩니다.

2학년은 본격적인 시작입니다. 전자기학이 나옵니다. 맥스웰 방정식, 전기장과 자기장, 전파가 어떻게 퍼지는지 배우는데, 수식이 장난 아닙니다. 벡터 미적분을 써서 전자기파를 유도하고, 안테나 원리를 이해합니다. 디지털 논리회로도 배웁니다. 0과 1로 세상을 표현하고, AND, OR, NOT 게이트를 조합해서 가산기, 메모리를 만듭니다. 실험 시간에는 브레드보드에 칩을 꽂고 회로를 만드는데, 한 번 잘못 꽂으면 칩이 타버립니다. 연기 나는 칩 냄새, 모두가 한 번쯤 맡아봅니다.

2학년 - 전자기학 (Electromagnetics)

난이도: ★★★★★★☆☆☆☆ (6/10)

전자기학은 전기전자공학의 핵심입니다. 전기장과 자기장이 어떻게 생성되고, 서로 어떻게 영향을 주는지, 그리고 전파가 어떻게 퍼져나가는지를 배웁니다. 맥스웰 방정식이라는 네 개의 수식으로 모든 전자기 현상을 설명할 수 있습니다.

문제 :

무한히 긴 직선 도선에 전류 $I = 10 A$ 가 흐르고 있다. 이 도선으로부터 거리 $r = 0.05 m$ 떨어진 지점 P에서의 자기장을 구하고자 한다. 진공의 투자율은 $μ_{0} = 4 π \times 1 0^{-7} H/m$ 이다.

(1) 앙페르 법칙(Ampère’s Law)을 적용하여 점 P에서의 자기장 세기 $H$ 의 크기를 구하시오.
∮H⋅dl=Ienc
(2) 자속밀도(magnetic flux density) $B$ 의 크기를 구하시오. ( $B = μ_{0} H$ )
(3) 자기장의 방향을 오른손 법칙을 사용하여 설명하시오.
(4) 만약 점 P에 속도 $v = 1 0^{6} z^m/s$ 로 움직이는 전자(전하량 $e = - 1.6 \times 1 0^{-19} C$ )가 있다면, 이 전자에 작용하는 로렌츠 힘(Lorentz force) $F = q (v \times B)$ 의 크기와 방향을 구하시오.

필요한 지식:

앙페르 법칙: $\oint H \cdot d l = I_{e n c}$
자속밀도: $B = μ_{0} H$
무한 직선 도선의 자기장: $H = 2 π r I$
로렌츠 힘: $F = q (v \times B)$
벡터 외적(cross product)
오른손 법칙

난이도 설명:

앙페르 법칙을 적용해서 자기장을 구하는 문제입니다. 원형 경로를 따라 선적분을 수행해야 하는데, 대칭성을 이용하면 $H \cdot 2 π r = I$ 로 단순화됩니다. 여기까진 공식 적용이지만, (4)번의 로렌츠 힘은 벡터 외적을 계산해야 합니다. $v \times B$ 를 행렬식으로 풀어야 하고, 방향까지 정확히 구해야 합니다. 벡터 미적분 개념이 처음 등장하는 시점이라 학생들이 어려워하는 부분입니다. 이 문제를 풀 수 있다면 전자기학의 기초는 마스터한 겁니다.

2학년 - 디지털 논리회로 (Digital Logic Circuits)

난이도: ★★★★★☆☆☆☆☆ (5/10)

디지털 논리회로는 0과 1, 두 가지 값으로 모든 것을 표현하는 학문입니다. 논리 게이트(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)를 조합해서 가산기, 메모리, 프로세서를 만듭니다. 컴퓨터가 작동하는 가장 기본 원리입니다.

문제 :

다음 논리 함수를 구현하고자 한다.

F (A, B, C) = A BC + A B C + A B C + A BC

(1) 이 논리 함수의 진리표(truth table)를 작성하시오.
(2) 카르노 맵(Karnaugh Map, K-map)을 사용하여 이 함수를 간소화(simplification)하시오.
(3) 간소화된 함수를 AND, OR, NOT 게이트만을 사용하여 논리 회로도로 그리시오.
(4) 만약 NAND 게이트만 사용해서 구현한다면, 최소 몇 개의 NAND 게이트가 필요한지 구하고 회로도를 그리시오. (NAND는 universal gate입니다)

필요한 지식:

불 대수(Boolean Algebra)
논리 게이트 (AND, OR, NOT, NAND)
진리표 작성
카르노 맵(K-map) 간소화 기법
드모르간 법칙(De Morgan’s Law): $A + B = A \cdot B$ , $A \cdot B = A + B$
NAND 게이트로 다른 게이트 구현

3~4학년 심화

3학년부터 전공을 선택합니다. 반도체 트랙을 가면 집적회로 설계를 배웁니다. Verilog 언어로 칩을 설계하고 시뮬레이션합니다. 통신 트랙은 신호처리와 무선통신 이론을 파고듭니다. 푸리에 변환, 필터 설계, 변조 복조 방식. 제어 트랙은 미분방정식으로 시스템을 모델링하고 PID 제어를 배웁니다. 전력 트랙은 3상 교류, 전력변환, 모터 제어를 합니다. 임베디드 트랙은 C언어로 마이크로컨트롤러를 코딩합니다. 어떤 트랙을 가든, 이론만 배우지 않습니다. 실험실에서 직접 만들고, 테스트하고, 고치고, 다시 만듭니다.

3학년 - 집적회로 설계 (Integrated Circuit Design) [반도체 트랙]

난이도: ★★★★★★★☆☆☆ (7/10)

집적회로 설계는 실제 칩을 만드는 방법을 배우는 과목입니다. Verilog나 VHDL 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용해서 디지털 회로를 설계하고, 컴퓨터로 시뮬레이션해서 동작을 검증합니다. 설계한 회로가 나중에 실제 실리콘 칩으로 만들어집니다.

문제:

4비트 동기식 업/다운 카운터(synchronous up/down counter)를 Verilog로 설계하고자 한다. 이 카운터는 다음과 같은 사양을 가진다.

사양:

입력: clk (클럭), reset (비동기 리셋, active high), up_down (1이면 증가, 0이면 감소)
출력: count[3:0] (4비트 카운트 값)
동작:
- reset이 1이면 count는 즉시 4'b0000으로 초기화
- up_down이 1이면 클럭 상승 에지마다 1씩 증가 (0000 → 0001 → … → 1111 → 0000)
- up_down이 0이면 클럭 상승 에지마다 1씩 감소 (1111 → 1110 → … → 0000 → 1111)

(1) 위 사양을 만족하는 Verilog 코드를 작성하시오. (모듈 선언, always 블록 사용)
(2) up_down = 1일 때, 초기값 count = 4'b1101에서 시작하여 5개의 클럭 사이클 후의 count 값을 구하시오.
(3) 이 카운터가 올바르게 동작하는지 검증하기 위한 테스트벤치(testbench)의 핵심 부분을 작성하시오. (클럭 생성, 입력 신호 변화, 출력 확인)
(4) 만약 이 설계를 FPGA에 구현한다고 할 때, 필요한 플립플롭(flip-flop)의 개수와 조합 논리 게이트의 종류를 설명하시오.

필요한 지식:

Verilog 문법 (module, always, posedge, if-else)
동기식 설계 (클럭 에지 기반)
비동기 리셋
2진수 연산 (증가/감소, 오버플로우/언더플로우)
테스트벤치 작성 기법
플립플롭과 조합 논리의 차이

3학년 - 신호 및 시스템 (Signals and Systems) [통신 트랙]

난이도: ★★★★★★★★☆☆ (8/10)

신호 및 시스템은 통신의 핵심입니다. 시간에 따라 변하는 신호를 어떻게 분석하고, 변환하고, 전송할 것인가를 다룹니다. 푸리에 변환(Fourier Transform)이라는 강력한 도구를 사용해서 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 바꿔서 분석합니다.

문제:

다음과 같은 연속 시간 신호(continuous-time signal)가 있다.

x (t) = 2 cos (100 π t) + 3 sin (200 π t)

이 신호를 이상적인 저역통과 필터(ideal low-pass filter)에 통과시키려고 한다. 필터의 차단 주파수(cutoff frequency)는 $f_{c} = 75 Hz$ 이다.

(1) 신호 $x (t)$ 에 포함된 각 성분의 주파수를 Hz 단위로 구하시오.
(2) 푸리에 변환을 이용하여 $x (t)$ 의 주파수 스펙트럼(frequency spectrum) $X (f)$ 를 구하고, 크기 스펙트럼 $∣ X (f) ∣$ 를 그래프로 나타내시오. (임펄스 함수 $δ (f)$ 사용)
(3) 차단 주파수 $f_{c} = 75 Hz$ 인 이상적인 저역통과 필터의 주파수 응답 $H (f)$ 를 식으로 나타내시오.
H(f)={10∣f∣≤fc∣f∣>fc
(4) 필터를 통과한 후의 출력 신호 $y (t)$ 를 시간 영역에서 구하시오. 어떤 주파수 성분이 제거되었는지 설명하시오.
(5) 만약 이 신호를 샘플링(sampling)한다면, 나이퀴스트 샘플링 정리(Nyquist sampling theorem)에 따라 최소 샘플링 주파수(sampling rate) $f_{s}$ 는 얼마가 되어야 하는가?

필요한 지식:

삼각함수와 주파수: $cos (2 π f t)$ 에서 주파수 $f$
푸리에 변환: $F {cos (2 π f_{0} t)} = 2 1 [δ (f - f_{0}) + δ (f + f_{0})]$
저역통과 필터의 주파수 응답
주파수 영역에서의 필터링: $Y (f) = X (f) \cdot H (f)$
역 푸리에 변환
나이퀴스트 샘플링 정리: $f_{s} \geq 2 f_{ma x}$

4학년

4학년은 졸업 프로젝트입니다. 팀을 짜서 6개월 동안 하나를 만듭니다. 드론 자율비행 시스템, 스마트홈 제어, 무선 전력 송신, AI 음성인식 스피커. 설계하고, 부품 사고, 납땜하고, 코딩하고, 디버깅합니다. 중간에 멘붕 오고, 밤 새우고, 발표 전날 겨우 작동시킵니다. 하지만 끝나고 나면 뿌듯합니다. 내가 설계한 회로가, 내가 짠 코드가 실제로 작동하는 걸 보는 순간. 그 희열!!! 이것 때문에 지금까지 몇 년을 고생한 겁니다.

애증의 동반자! 필수 소프트웨어

MATLAB, SPICE, C언어, Verilog, Python

4년 동안 손에서 놓지 않을 프로그램들이 있습니다. 입학하면 바로 마주하게 될 겁니다. 고등학교 때 Excel 정도 써봤다면, 대학에서는 MATLAB, SPICE, C 언어를 매일 씁니다. 과제, 실험, 프로젝트, 졸업 작품까지 전부 이 프로그램들로 만듭니다.

MATLAB. 1학년 첫 학기부터 만납니다. 수학 계산, 그래프 그리기, 신호 처리, 제어 시스템, 통신 시뮬레이션. 거의 모든 과목에서 씁니다. 처음엔 어렵습니다. 명령어도 많고, 문법도 생소하고, 에러 메시지도 알아보기 힘듭니다. 하지만 2학년쯤 되면 익숙해집니다. 교수님들이 과제 낼 때 “MATLAB으로 제출”이라고 하면 당연하게 받아들이게 됩니다. 졸업할 때쯤엔 능숙하게 다룹니다. 회사 가서도 씁니다.

SPICE. 회로 시뮬레이션 프로그램입니다. 1학년 “회로이론” 과목에서 처음 만납니다. 저항, 캐패시터, 인덕터를 화면에 배치하고, 전압을 걸고, 전류가 어떻게 흐르는지 시뮬레이션합니다. 실험실에서 직접 회로 만들기 전에 컴퓨터로 먼저 돌려봅니다. 틀리면 부품 태우는 일 없으니까요. 2학년, 3학년 되어도 계속 씁니다. 비교적 쉽습니다. 드래그 앤 드롭으로 회로 그리고, 버튼 누르면 결과 나옵니다.

C 언어. 임베디드 시스템 프로그래밍에 씁니다. 마이크로컨트롤러에 코드를 심어서 LED 켜고, 모터 돌리고, 센서 값 읽습니다. 2학년쯤 본격적으로 배우는데, 프로그래밍 경험 없으면 처음엔 힘듭니다. 포인터, 메모리 주소, 레지스터 설정. 개념이 어렵습니다. 하지만 직접 하드웨어를 제어하는 재미가 있습니다. 내가 짠 코드로 모터가 돌아가는 걸 보면 신기합니다. 3학년, 4학년 되면 Arduino, STM32 같은 보드로 프로젝트 만듭니다. 졸업 작품도 C 언어로 짭니다.

Verilog. 칩 설계 언어입니다. 반도체 트랙 가면 필수입니다. 소프트웨어 언어가 아니라 하드웨어 언어입니다. 코드를 짜면 그게 실제 회로로 합성됩니다. CPU, 메모리, 디지털 회로를 설계합니다. 3학년쯤 배우는데, 처음엔 개념이 낯섭니다. 동시에 여러 신호가 처리되고, 클럭 타이밍 맞춰야 하고, 복잡합니다. 하지만 반도체 설계 엔지니어 되려면 반드시 거쳐야 할 과정입니다.

Python. 최근 급부상한 언어입니다. 데이터 분석, AI, 머신러닝에 씁니다. 문법이 쉽습니다. C보다 훨씬 배우기 쉽습니다. 3학년쯤 신호 처리나 AI 과목에서 배웁니다. NumPy, Pandas, TensorFlow 같은 라이브러리 쓰면 복잡한 계산도 몇 줄로 끝납니다. 요즘 회사에서도 많이 씁니다.

매년 10~20% 학생은 이 프로그램들 때문에 고생합니다. MATLAB 못 써서 과제 못 내고, C 언어 포인터 개념 못 잡아서 재수강하고, Verilog 못 써서 졸업 작품 진행 못 하는 경우도 있습니다. 하지만 너무 걱정마세요. 우린 어떻게든 늘 해답을 찾아왔잖아요.

전기전자공학과, 졸업후 진로는?

졸업하면 크게 일곱 가지 길이 있습니다. 가장 많이 가는 곳은 반도체·전자·자동차 제조업으로, 또는, 칩을 설계하고 생산 공정을 관리하는 일을 하게 됩니다. IT 기업에서는 임베디드 개발자나 하드웨어 엔지니어로 일하고, 통신사에서는 5G 기지국 관리와 네트워크 구축을 담당합니다. 전력 회사로 가면 발전소와 송전망을 운영하며 전기가 끊기지 않도록 시스템을 관리합니다.

의외로 금융권으로 진출하는 경우도 많습니다. 은행이나 증권사 IT 부서에서 전산 시스템을 구축하거나, 리서치 애널리스트나 금융공학 퀀트로 일하기도 합니다. 컨설팅 회사에서는 제조업 고객사에게 스마트 팩토리나 자동화 솔루션을 제안하는 기술 컨설턴트가 됩니다. 국책연구소에서 차세대 반도체나 6G 기술을 연구하거나, 해외 빅테크로 나가는 친구들도 있습니다.

근무지는 서울과 판교 연구소, 경기도 공장 단지에 일자리가 집중되어 있고, 지방은 구미·천안·울산 같은 산업 도시 중심입니다. 대전은 연구소가 모여 있어서 연구직을 원하면 선택지가 됩니다. 학사도 다양한 기회가 많지만 최근 기업들이 석사와 박사출신을 중심으로 채용을 늘리고 있는 추세입니다.

전기·전자공학과는 반도체, 통신, AI, 로봇, 전력까지 미래 산업의 중심입니다. 몇 년 동안 어려운 공부를 많이 해야 하고 고생도 하겠지만 그래도 공대 탑티어의 자리를 늘 지키고 있는 최고의 전공입니다. 여러분의 열정이 세상을 바꿉니다.

전자공학과반도체부터 AI까지,미래를 설계하는 학과

전자공학과, 다섯 개의 세계!

전자공학과 - 반도체·HBM 트랙

통신·네트워크

제어·로봇

전력·에너지

임베디드·Edge AI

전자공학과, 무엇을 배우나?

1~2학년 기초

1학년 - 회로이론 (Circuit Theory)

1학년 - 물리학 (Physics)

2학년 - 전자기학 (Electromagnetics)

2학년 - 디지털 논리회로 (Digital Logic Circuits)

3~4학년 심화

3학년 - 집적회로 설계 (Integrated Circuit Design) [반도체 트랙]

3학년 - 신호 및 시스템 (Signals and Systems) [통신 트랙]

4학년

애증의 동반자! 필수 소프트웨어

MATLAB, SPICE, C언어, Verilog, Python

전기전자공학과, 졸업후 진로는?

[ 연관 컨텐츠 ]

전자공학과
반도체부터 AI까지,
미래를 설계하는 학과