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윌리엄스관

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목차

1. 개요

윌리엄스관은 음극선관(CRT)의 2차 전자 방출 현상을 이용하여 데이터를 저장하는 초기 컴퓨터 메모리 기술이다. 전자 빔으로 형광체 표면에 전위 우물을 생성하여 1비트를 저장하며, 점들의 집합으로 워드를 나타낸다. 임의 접근이 가능하고, 읽기 및 쓰기 과정에서 전하 재분배를 이용한다. 윌리엄스관은 데이터를 복원하기 위해 주기적인 새로 고침이 필요했으며, 맨체스터 대학교에서 개발되어 맨체스터 베이비에 사용되었다. 이후 맨체스터 마크 1을 거쳐 페란티 마크 1으로 상용화되었으며, 미국, 소련, 일본의 초기 컴퓨터에도 사용되었다.

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윌리엄스관
개요
윌리엄스관의 도식도
윌리엄스관의 도식도. 전자총(A)에서 방출된 전자는 스크린(B)에 초점을 맞추고, 편향 코일(C)은 전자 빔의 위치를 제어한다. 금속판(D)은 스크린의 전하를 수집하고 증폭하여 다시 공급하는 데 사용된다.
종류램
개발 시기1946년 ~ 1947년
개발자프레디 윌리엄스와 톰 킬번
개발 기관맨체스터 대학교
기반 기술음극선관
상세 정보
작동 원리음극선관 표면에 전하를 저장하고 판독하는 방식
장점다른 초기 메모리 기술에 비해 속도가 빠름
상대적으로 높은 저장 밀도
단점온도와 습도에 민감
지속적인 재생 필요
역사
개발 배경초기 컴퓨터의 메모리 부족 문제 해결
주요 사용맨체스터 마크 1
EDSAC
IAS 컴퓨터
대체 기술자기 코어 메모리

2. 작동 원리

윌리엄스관은 음극선관(CRT)의 2차 전자 방출 현상을 기반으로 작동한다. 전자 빔이 형광체에 부딪히면 전자가 튀어나오는데, 이 현상을 이용하여 데이터를 저장하고 읽는다.

메모리를 읽는 과정은 쓰기 동작으로 발생하는 2차적인 효과를 이용한다. 쓰기가 이루어지는 짧은 시간 동안 형광체의 전하가 재분배되면서 전류가 발생하고, CRT 표시 면 근처의 금속판에 전압이 유도된다.

전자 빔은 관성이 없어 디스플레이의 어느 곳이든 이동할 수 있기 때문에, 윌리엄스관은 임의 접근이 가능한 메모리이다.[14] 컴퓨터는 주소를 X와 Y 좌표 쌍으로 드라이버 회로에 로드하고, 시간축 생성기를 작동시켜 선택한 위치를 주사한다. 이후 플립플롭으로 구현된 내부 레지스터를 통해 읽기 또는 쓰기 작업을 수행한다.

읽기 동작은 데이터를 파괴하므로, 읽은 후에는 반드시 다시 쓰기를 하여 데이터를 복원해야 한다. 일부 시스템에서는 이를 위해 CRT 내부에 제2의 전자총을 사용했다. 제1 전자총이 다음 위치의 데이터를 읽는 동안 제2 전자총이 바로 전에 읽은 위치에 데이터를 쓰는 방식이다.

윌리엄스관 중에는 형광체 코팅이 된 레이더용 음극선관을 사용하여 데이터를 시각적으로 표시하는 경우도 있었다. 형광체 코팅 유무는 관의 작동에 영향을 주지 않았고, 관 표면은 읽기용 금속판으로 덮여 있었기 때문에 사용자는 데이터를 볼 수 없었다. 시각적 출력이 필요한 경우에는 형광체 코팅은 되어 있지만 금속판이 없는 제2의 관을 병렬로 연결하여 표시 장치로 사용했다.[14]

2. 1. 2차 전자 방출

윌리엄스관은 음극선관(CRT)에서 발생하는 2차 전자 방출 현상을 이용한다. 전자 빔이 CRT 표면의 형광체에 닿으면 형광체가 빛을 내는데, 빔의 에너지가 특정 임계값을 넘으면 형광체에서 전자가 튀어나온다. 이 전자들은 짧은 거리를 이동한 후 CRT 표면으로 다시 끌려간다. 전자가 튀어나온 곳 주변에는 전자가 부족하여 약간의 양전하가, 전자가 떨어진 곳 주변에는 약간의 음전하가 발생한다. 이렇게 형성된 전위 우물은 전자가 원래 위치로 돌아갈 때까지 수 초 동안 관의 표면에 남는다.[13][20] 전위 우물의 수명은 형광체의 전기 저항과 우물의 크기에 따라 달라진다.

2. 2. 쓰기

컴퓨터 메모리에 데이터를 쓰는 과정은 음극선관(CRT) 표면의 형광체에 전자 빔을 쏘아 전위 우물을 생성하는 방식으로 이루어진다. 전자 빔의 에너지에 따라 형광체에서 전자가 튀어나와 표면에 양전하 또는 음전하 영역이 만들어지는데, 이 전위 우물은 비트 단위의 데이터 저장에 사용된다.[13][20] 점이나 공간의 집합, 주로 디스플레이의 가로 행은 컴퓨터 워드를 나타낸다. 빔 에너지를 높이면 점이 커지고 오래 지속되지만, 점 간 간격을 넓혀야 하므로 메모리 밀도에 상한이 있다. 윌리엄스관은 보통 256~2560 비트의 데이터를 저장할 수 있었다.

2. 3. 읽기

메모리에서 데이터를 읽는 과정은 쓰기 과정에서 발생하는 2차적인 효과를 이용한다. 전자 빔이 특정 위치에 쓰기를 시도할 때, 이미 전자가 부족한 영역(데이터 "1")이면 전류가 흐르지 않고, 전자가 충분한 영역(데이터 "0")이면 전류가 흘러 전압 펄스가 발생한다. CRT 표면 앞에 설치된 금속판을 통해 이 전압 펄스를 감지하여 데이터를 읽는다.[1]

2. 4. 소거 및 새로 고침

윌리엄스관의 데이터는 시간이 지남에 따라 희미해지므로, 주기적인 새로 고침이 필요했다. 이는 중앙 처리 장치(CPU)가 다른 작업을 하는 동안 외부 회로에서 데이터를 읽고 즉시 다시 쓰는 방식으로 수행되었다. 이 방식은 DRAM의 메모리 새로 고침 사이클과 유사하다.[13][20]

데이터를 소거하기 위해, 원래 위치 바로 옆에 새로운 데이터를 쓰는 방식을 사용했다. 이 새로운 쓰기를 통해 방출된 전자는 이전에 기록된 위치에 떨어져 채워지게 된다.[13][20]

3. 구조

윌리엄스관은 기본적으로 음극선관 (CRT)과 그 전면에 부착된 금속판(픽업 플레이트)으로 구성된다.[13][20] 데이터를 시각적으로 표시하기 위해 인광체 코팅을 사용하기도 하고, 그렇지 않은 경우도 있었다. 가시적인 출력이 필요할 경우, 별도의 CRT를 디스플레이 장치로 사용했다.[14]

4. 개발

영국 맨체스터 대학교에서 개발된 윌리엄스관은 초기 컴퓨터에 사용된 메모리 장치이다. 윌리엄스관은 시간이 지남에 따라 신뢰성이 떨어지는 경향이 있어 수동 조정이 필요했다. 반면 수은 지연선 메모리는 비트가 직렬로 제공되어 프로그래밍이 복잡하고 느렸으며, 진정한 의미의 임의 접근이 불가능했다. 지연선 또한 수동 조정이 필요했지만, 데이터 전송률, 무게, 비용, 발열, 독성 문제에도 불구하고 초기 디지털 전자 계산에서 어느 정도 성공을 거두었다.

4. 1. 맨체스터 베이비

영국 맨체스터 대학교에서 개발된 윌리엄스관은 최초의 전자식 프로그램 내장 방식 컴퓨터인 맨체스터 베이비의 컴퓨터 프로그램 저장 매체를 제공했으며, 1948년 6월 21일에 처음으로 프로그램을 성공적으로 실행했다.[8] 윌리엄스관은 베이비를 위해 설계된 것이 아니라, 베이비가 윌리엄스관의 신뢰성을 입증하기 위한 시험대였다.[9][10] 톰 킬번은 218까지의 수 중 가장 큰 진약수를 계산하는 17개 명령어 프로그램을 작성했다. 대학교의 전통에 따르면 이것이 킬번이 쓴 유일한 프로그램이었다고 한다.[11]

4. 2. 상용화 및 응용

윌리엄스관은 맨체스터 마크 1에 사용되었고, 이는 페란티 마크 1으로 상용화되었다.[12] IAS 머신, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702, SWAC 등 미국의 초기 컴퓨터와 소련의 스트렐라-1, 일본의 TAC에서도 사용되었다.[12] 윌리엄스관은 시간이 지남에 따라 신뢰성이 떨어지는 경향이 있어 수동 조정이 필요했지만, 수은 지연선 메모리보다 프로그래밍이 간편하고 빨랐다.[12]

5. 한계 및 대체

윌리엄스관은 시간이 지남에 따라 신뢰성이 떨어지는 경향이 있었고, 대부분 수동으로 조정해야 했다.[12] 이와 대조적으로, 수은 지연선 메모리는 느리고 비트가 직렬로 제공되어 프로그래밍이 복잡했지만, 수동 조정이 필요했음에도 불구하고 데이터 전송률, 무게, 비용, 열, 독성 문제에도 불구하고 초기 디지털 컴퓨터에서 어느 정도 성공을 거두었다. 윌리엄스관을 사용한 맨체스터 마크 1은 페란티 마크 1으로 상업화에 성공했다. IAS 머신, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702, SWAC 등 미국의 일부 초기 컴퓨터에서도 윌리엄스관이 사용되었다. 윌리엄스관은 소련의 스트렐라-1와 일본의 TAC에서도 사용되었다.[12] 1950년대 초, 자성 코어 메모리가 등장하면서 윌리엄스관은 빠르게 대체되었다.

참조

[1] 간행물 From Cathode Ray Tube to Ferranti Mark I http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 2012-03-15
[2] 웹사이트 Williams Tube http://curation.cs.m[...] University of Manchester 1998-11-25
[3] 간행물 Early computers at Manchester University http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 1992-Summer
[4] 웹사이트 GB Patent 645,691 http://www.wikipaten[...]
[5] 웹사이트 GB Patent 657,591 http://www.wikipaten[...]
[6] US patent 2951176
[7] US patent 2777971
[8] 간행물 Computer 50: The University of Manchester Celebrates the Birth of the Modern Computer http://www.computer5[...] 2012-05-26
[9] 간행물 Electronic Digital Computers 1948-09
[10] 간행물 Universal High-Speed Digital Computers: A Small-Scale Experimental Machine http://www.computer5[...] 1951-02
[11] 간행물 Lavington 1998
[12] 서적 A survey of automatic digital computers https://archive.org/[...] Office of Naval Research, Dept. of the Navy 1953
[13] 간행물 From Cathode Ray Tube to Ferranti Mark I http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 2020-06-25
[14] 웹사이트 Williams Tube http://curation.cs.m[...] University of Manchester 1998-11-25
[15] 간행물 Early computers at Manchester University http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 1992-Summer
[16] 웹사이트 GB Patent 645,691 http://www.wikipaten[...]
[17] 웹사이트 GB Patent 657,591 http://www.wikipaten[...]
[18] US patent 2951176
[19] US patent 2777971
[20] 웹사이트 A History of Storage Media: the Williams-Kilburn Tube https://kiranbot.com[...] 2020-06-26
[21] 간행물 Computer 50: The University of Manchester Celebrates the Birth of the Modern Computer http://www.computer5[...] 2012-05-26
[22] 간행물 Electronic Digital Computers 1948-09
[23] 간행물 Universal High-Speed Digital Computers: A Small-Scale Experimental Machine http://www.computer5[...] 1951-02
[24] 간행물 Lavington 1998
[25] 서적 A survey of automatic digital computers https://archive.org/[...] Office of Naval Research, Dept. of the Navy 1953
[26] 웹사이트 TACウイリアムス管・真空管および関連資料 http://museum.ipsj.o[...] 정보처리学会 2020-06-26
[27] 간행물 From Cathode Ray Tube to Ferranti Mark I http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 2012-03-15
[28] 웹인용 Williams Tube http://curation.cs.m[...] University of Manchester 1998-11-25
[29] 간행물 Early computers at Manchester University http://www.cs.man.ac[...] The Computer Conservation Society 1992-Summer
[30] 웹사이트 GB Patent 657,591 http://www.wikipaten[...]
[31] 웹사이트 GB Patent 645,691 http://www.wikipaten[...]
[32] US patent 2951176
[33] US patent 2777971


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