전기 신호로 저장되는 세계 – 디지털 정보의 과학적 변환 원리

[이리멘토]

전기 신호로 저장되는 세계 – 디지털 정보의 과학적 변환 원리

우리는 스마트폰으로 사진을 찍고, 컴퓨터로 문서를 작성하며, 영상을 시청한다. 이러한 정보는 스마트폰이나 컴퓨터 안에 저장되기도 하지만, 점점 더 많은 양이 ‘클라우드’라는 공간에 저장되고 있다. 클라우드는 보이지 않지만 언제 어디서나 데이터를 꺼낼 수 있는 디지털 저장소다. 그런데 사진이나 문서처럼 눈으로 보고 손으로 만질 수 있는 정보는 어떻게 해서 클라우드에 저장될 수 있는 걸까? 이 질문에 답하기 위해서는 먼저 정보를 ‘디지털화’하고 저장하는 과학적 과정을 이해해야 한다.

우리 일상 속 대부분의 정보는 ‘아날로그’ 형태로 존재한다. 아날로그란 연속적인 물리적 신호를 의미하며, 빛, 소리, 온도, 압력 등 대부분의 자연 현상이 이에 해당한다. 그러나 디지털 기기는 이러한 연속적인 정보를 ‘이산적인 숫자’, 즉 0과 1로 구성된 이진수로 바꾸어 저장한다. 이 과정을 아날로그-디지털 변환(A/D 변환)이라고 하며, 이를 통해 현실 세계의 아날로그 정보가 디지털 기기에서 처리 가능한 형태로 바뀌게 된다.

예를 들어, 사진을 찍을 때 카메라는 렌즈를 통해 들어온 빛을 이미지 센서를 통해 전기적 신호로 바꾸고, 그 신호를 디지털 신호로 변환하여 0과 1의 조합으로 저장한다. 문서 파일이나 텍스트도 마찬가지다. 우리가 키보드로 입력하는 글자는 각각 고유한 코드값(예: ASCII, 유니코드)으로 지정되어 있어, 전자 회로는 이를 전압의 높고 낮음(0 또는 1)으로 변환해 저장한다. 이진수의 조합은 결국 전기 신호의 패턴이며, 이는 메모리나 저장장치의 회로에 흐르는 전류 형태로 구현된다.

이렇게 전기 신호로 바뀐 데이터는 컴퓨터 내부의 반도체 메모리나 하드디스크, 그리고 클라우드 상의 서버에 저장된다. 특히 클라우드에 저장되는 데이터는 수많은 서버에 분산되어 저장되며, 서버는 고속 연산이 가능한 컴퓨터 장비로 구성되어 있다. 서버의 내부에는 수억 개의 트랜지스터가 촘촘히 배열된 저장 셀이 있고, 이 셀은 각각의 전기적 상태(전압의 유무, 전하의 존재 등)를 0 또는 1로 인식한다. 이 원리를 통해 디지털 데이터는 전기적 형태로 저장되고, 다시 필요한 순간에 읽혀져 사용자에게 제공된다.

데이터가 저장되는 과정은 전기적 흐름에 기반을 두고 있지만, ‘정보’라는 개념은 단순한 물리량을 넘어서서 정보 이론(Information Theory)이라는 분야에서도 다뤄진다. 정보 이론에 따르면, 정보란 ‘불확실성을 줄이는 정도’를 의미한다. 예를 들어, 컴퓨터가 A와 B 중 하나를 선택해야 할 때, 어떤 신호를 받아 ‘A’로 결정된다면 이는 불확실성을 줄인 것이며, 곧 정보가 전달된 것이다. 이때 신호는 전기적 형태로 전달되지만, 의미 있는 정보로 기능하기 위해선 일정한 규칙과 부호화 체계가 필요하다. 이처럼 저장된 데이터는 규칙적으로 해석 가능한 형태여야만 의미 있는 정보로 재구성될 수 있다.

그렇다면 저장된 전기 신호는 어떻게 다시 화면에 사진이나 문서의 형태로 나타나는 걸까? 이는 디지털-아날로그 변환(D/A 변환) 과정으로 설명할 수 있다. 저장된 0과 1의 조합은 다시 전기 신호로 변환되고, 이를 통해 디스플레이 장치는 빛의 밝기, 색상, 위치 등을 제어한다. 예컨대 사진이라면 RGB 색상의 값을 조합해 픽셀 단위로 이미지를 재현하고, 문서라면 각 문자에 해당하는 부호를 화면에 출력하는 식이다.

흥미로운 점은, 우리가 저장하는 정보의 본질이 더 이상 ‘물질’이 아니라 ‘전기적 상태’에 있다는 것이다. 즉, 우리는 디지털 세계에서 정보를 눈에 보이지 않는 전압, 전류, 전하의 상태로 주고받고 있다. 이 과정은 수 나노미터 크기의 반도체 소자 안에서 이루어지고 있으며, 이는 인간이 만든 가장 정밀한 물리 구조 중 하나다.

또한, 이렇게 저장된 정보가 클라우드를 통해 언제 어디서든 접속 가능한 이유는 네트워크 통신 기술 덕분이다. 저장된 데이터는 인터넷을 통해 서버 간에 전송되며, 사용자 요청이 들어오면 해당 데이터를 빠르게 전송하여 사용자의 화면에 나타나게 한다. 이 과정에서 패킷 분할, 전송 프로토콜, 암호화 기술 등이 사용되어 보안과 안정성을 유지한다. 다시 말해, 단순히 전기 신호로 저장되는 것을 넘어서, 이 정보를 어떻게 빠르고 정확하게 전달할 것인가도 디지털 정보 사회의 핵심 과제가 된다.

요컨대, 사진, 영상, 문서 같은 우리의 디지털 자산은 단지 구름 위 어딘가에 존재하는 것이 아니라, 전기 신호라는 물리적 실체로 바뀌어 땅 위의 데이터 센터에 저장되고 있는 것이다. 전기 신호는 인간이 만든 부호체계와 회로 기술을 통해 정보를 저장하고 복원하며, 이 모든 과정은 현대 과학과 공학 기술의 결정체라 할 수 있다.