셀렉트론 튜브
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1. 개요
셀렉트론 튜브는 1946년 존 폰 노이만의 요청으로 개발이 시작된 진공관 기반의 초기 컴퓨터 메모리 장치이다. 4096비트 용량으로 설계되었으나, 기술적 어려움과 윌리엄스 튜브의 등장으로 인해 주 고객이었던 IAS 머신에 적용되지 못했다. 이후 256비트 버전이 랜드 연구소의 JOHNNIAC에 사용되었지만, 고가와 낮은 생산량으로 인해 널리 사용되지 못했다. 셀렉트론 튜브는 정전기 저장 방식과 홀딩 빔 개념을 활용하여 데이터를 저장했으며, 1950년대 초 자기 코어 메모리에 의해 대체되었다.
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| 셀렉트론 튜브 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| 종류 | 진공관 |
| 용도 | 컴퓨터 메모리 |
| 개발자 | Jan A. Rajchman |
| 개발 시기 | 1946년 |
| 개발 회사 | 미국 RCA사 |
| 특징 | 세계 최초의 랜덤 액세스 메모리 정전형 기억관의 일종 |
| 문제점 | 생산 비용이 비쌈 신뢰성이 낮음 소형화가 어려움 |
| 대체 기술 | 자기 코어 메모리 |
2. 개발
고등 연구소의 존 폰 노이만의 요청으로 1946년에 셀렉트론 튜브의 개발이 시작되었다.[1] 그는 IAS 머신을 설계하면서 새로운 형태의 고속 메모리를 찾고 있었다.
셀렉트론 튜브는 쓰기, 읽기, 패턴 유지를 위한 세 개의 전자총을 사용한다. 작동 원리는 윌리엄스 튜브와 유사하지만, '홀딩 건'이 지속적으로 발사되어 인광체 전체를 덮는다는 차이점이 있다.
RCA의 초기 설계는 4096 비트의 용량을 가졌으며, 1946년 말까지 200개를 생산할 계획이었다. 그러나 장치 제작은 예상보다 훨씬 어려웠고, 1948년 중반까지도 사용할 수 없었다. 개발이 지연되면서 IAS 머신은 윌리엄스 튜브를 저장 장치로 사용해야 했고, 셀렉트론의 주요 고객은 사라졌다. RCA는 설계에 대한 관심을 잃고 엔지니어를 텔레비전 개선에 투입했다.[2]
미국 공군과의 계약으로 인해 256비트 형태의 장치를 다시 검토하게 되었다. 랜드 연구소는 이 프로젝트를 활용하여 자체 IAS 머신인 JOHNNIAC을 이 새로운 버전의 셀렉트론으로 전환하여 80개를 사용하여 512개의 40비트 단어를 주 메모리로 제공했다. 그들은 RCA와 튜브당 500USD의 예상 비용으로 자사 머신에 충분한 튜브를 생산하는 개발 계약을 체결했다.[2]
이 무렵 IBM도 셀렉트론에 관심을 보였지만, 추가 생산으로 이어지지는 않았다. 그 결과 RCA는 엔지니어를 컬러 텔레비전 개발에 배정하고, 셀렉트론은 "두 명의 유능한 직원의 장모(이사회 의장과 사장)"의 손에 맡겼다.[2]
셀렉트론과 윌리엄스 튜브는 모두 1950년대 초에 소형화되고 비용 효율적인 자기 코어 메모리에 의해 시장에서 대체되었다. JOHNNIAC 개발자들은 첫 번째 셀렉트론 기반 버전이 완성되기도 전에 코어로 전환하기로 결정했다.[2]
3. 작동 원리
쓰기는 낮은 전압으로 쓰기 건을 발사해 인광체에 전압을 추가하는 방식으로, 저장 패턴은 두 전압 간의 미세한 차이(보통 수십 볼트)로 나타난다. 읽기는 읽기 건으로 저장 영역을 스캔하며, 2차 전자 방출 임계값을 넘는 전압을 사용한다. 스캔 영역에 따라 방출되는 전자 수가 달라지며, 이는 디스플레이 뒤 와이어 그리드에서 읽힌다.
홀딩 빔은 낮은 전압으로 데이터를 오래 저장하고, 여러 전자총에 동일한 편향 자석 드라이버를 써서 복잡성을 줄이는 장점이 있다.
3. 1. 정전기 저장 방식 (Electrostatic storage)
윌리엄스 튜브는 음극선관(CRT) 장치인 저장관의 일종이었다. 저장관은 CRT를 기반으로 형광체의 두 가지 원리를 이용했다. 첫째는 전자가 형광체에 부딪힐 때 일부 전자가 튜브에 "달라붙어" 정전기 전하가 축적된다는 것이다. 둘째는 형광체가 전자 빔에 부딪힐 때 2차 전자 방출을 일으킨다는 것이다.
2차 전자 방출은 특정 임계 전압 이상에서 방출 속도가 급증하는 특징이 있었다. 이로 인해 빛을 낸 지점이 빠르게 소멸되고, 달라붙은 전자가 방출되었다. 컴퓨터는 이 특성을 이용해 데이터를 저장했다.[7]
윌리엄스 튜브는 전자총을 사용해 형광체에 1 또는 0을 나타내는 패턴을 생성했다. 디스플레이를 읽기 위해 빔을 다시 스캔하고, 2차 전자 방출 임계값에 가까운 전압을 설정했다. 저장된 정전기가 빔 전압에 더해져 총 전압이 임계값을 넘거나 넘지 않았다. 임계값을 넘으면 전자가 방출되었고, 이는 금속판에서 정전 용량 방식으로 읽혔다.[8]
저장관에는 윌리엄스 튜브, 라데콘 튜브, "스티킹 전위" 유형, 셀렉트론 등 네 가지 부류가 있었다.[7]
4096비트 셀렉트론 튜브[7]는 길이 25cm, 직경 7.6cm의 진공관이었다. 1024×4비트 구조로, 음극, 그리드 어레이, 유전성 기억 매체를 코팅한 시그널 플레이트로 구성되었다. 비트는 시그널 플레이트 표면의 전하로 저장되었다.
그리드 와이어에 양의 전압을 걸어 전자가 유전체에 도달하게 하고, secondary emission영어에 의해 전하를 축적했다. 비트 선택은 그리드 와이어에 음의 전압을 가해 해당 위치에서만 전류가 흐르게 하는 방식으로 이루어졌다.
정보 쓰기는 비트 선택 후 시그널 플레이트에 플러스 또는 마이너스 전위 펄스를 보내는 방식으로 수행되었다. 플러스 펄스는 1, 마이너스 펄스는 0을 썼다. 그리드 바이어스가 꺼지면 전자가 정전기로 유지되었다.
정보 읽기는 그리드에서 비트 위치를 선택하고 음극에 펄스를 보내는 방식으로 이루어졌다. 유전체가 대전되어 있다면 시그널 플레이트에 펄스가 발생하여 읽을 수 있었다.
256비트(128×2비트) 셀렉트론 튜브[8]는 구멍 뚫린 사각형 판을 사용했고, 음극이 8개였다. 핀 수는 31핀으로 줄었고, 플레이트 구멍을 통해 비트 상태를 읽을 수 있었다.
3. 2. 홀딩 빔 개념 (Holding beam concept)
가장 기본적인 구현에서 홀딩 빔 튜브는 세 개의 전자총을 사용한다. 하나는 쓰기용, 하나는 읽기용, 그리고 패턴을 유지하는 세 번째 "홀딩 건"이다. 일반적인 작동 방식은 개념적으로 윌리엄스 튜브와 매우 유사하다. 주요 차이점은 홀딩 건으로, 이는 지속적으로 발사되었고 초점이 맞지 않아 인광체 전체의 저장 영역을 덮었다. 이로 인해 인광체는 2차 전자 방출 임계값보다 약간 낮은 선택된 전압으로 지속적으로 충전되었다.[1]
쓰기는 윌리엄스 튜브와 유사한 방식으로 낮은 전압으로 쓰기 건을 발사하여 인광체에 추가 전압을 추가하는 방식으로 수행되었다. 따라서 저장 패턴은 튜브에 저장된 두 전압 간의 미세한 차이였으며, 일반적으로 몇 십 볼트 정도의 차이만 있었다.[1] 이에 비해 윌리엄스 튜브는 훨씬 더 높은 전압을 사용하여 읽을 수 없을 정도로 빠르게 소멸되기 전에 짧은 시간 동안만 저장할 수 있는 패턴을 생성했다.
읽기는 읽기 건을 저장 영역 전체로 스캔하여 수행되었다. 이 건은 전체 디스플레이의 2차 전자 방출 임계값을 넘을 전압으로 설정되었다. 스캔된 영역이 홀딩 건 전위를 유지하면 일정 수의 전자가 방출되고, 쓰기 건 전위를 유지하면 그 수가 더 많아졌다. 전자는 디스플레이 뒤에 배치된 미세한 와이어 그리드에서 읽혀 시스템을 완전히 독립적으로 만들었다. 반대로, 윌리엄스 튜브의 판독판은 튜브 앞에 있었고 제대로 작동하려면 지속적인 기계적 조정이 필요했다.[1] 이 그리드는 또한 윌리엄스 시스템의 정밀한 초점 없이도 디스플레이를 개별 지점으로 분할하는 이점이 있었다.
일반적인 작동은 윌리엄스 시스템과 동일했지만, 홀딩 개념에는 두 가지 주요 장점이 있었다. 하나는 훨씬 낮은 전압 차이로 작동하여 더 오랫동안 데이터를 안전하게 저장할 수 있다는 것이다. 다른 하나는 동일한 편향 자석 드라이버를 여러 전자총으로 보내 전자 장치의 복잡성을 증가시키지 않고도 단일 대형 장치를 생산할 수 있다는 것이다.
4. 설계
셀렉트론은 개별 금속 아일릿(eyelet)을 사용하여 기본적인 홀딩 건(holding gun) 개념을 발전시킨 것으로, 추가적인 전하를 예측 가능하고 오래 지속되는 방식으로 저장하는 데 사용되었다.
CRT는 전자총이 필라멘트와 단일 하전 가속기로 구성된 단일 점원이지만, 셀렉트론에서 "총"은 플레이트이고 가속기는 와이어 그리드이다(배리어-그리드 튜브에서 몇 가지 설계 특징을 차용). 스위칭 회로는 전압을 와이어에 가하여 켜거나 끌 수 있다. 총이 아일릿을 통해 발사될 때 약간 초점이 맞지 않으며, 일부 전자는 아일릿에 부딪혀 전하를 축적한다.
원래 4096비트 셀렉트론[3]은 약 25.40cm x 약 7.62cm 진공관으로 1024 x 4비트로 구성되었다. 중앙에는 간접 가열 음극이 있었고, 이를 둘러싼 두 개의 별도 와이어 세트(방사형, 축 방향)가 원통형 그리드 배열을 형성했으며, 마지막으로 금속 실린더를 감싸는 네 개의 세그먼트 내부의 유전체 저장 물질 코팅이 있었는데, 이를 "신호 플레이트"라고 불렀다. 비트는 신호 플레이트의 매끄러운 표면에 있는 개별 전하 영역으로 저장되었다.
두 세트의 직교 그리드 와이어는 일반적으로 약간 양의 "바이어스"가 걸려 있어 음극에서 나온 전자가 그리드를 통해 가속되어 유전체에 도달했다. 전자의 지속적인 흐름은 저장된 전하가 전자의 이차 전자 방출에 의해 지속적으로 재생성되도록 했다. 읽거나 쓰기 위한 비트를 선택하려면 두 그리드 각각에서 두 개의 인접한 와이어를 제외한 모든 와이어에 음의 바이어스가 걸려 있어 한 위치에서만 유전체로 전류가 흐르도록 했다.
쓰기는 위에서 설명한 대로 비트를 선택한 다음, 신호 플레이트에 양수 또는 음수의 전압 펄스를 보내는 방식으로 수행되었다. 비트가 선택되면 전자가 유전체로 끌어당겨지거나(양전위의 경우) 밀려났습니다(음전위의 경우). 그리드의 바이어스가 떨어지면 전자는 정전기 반점으로 유전체에 갇혔다.
장치에서 읽으려면 비트 위치를 선택하고 음극에서 펄스를 보냈다. 해당 비트에 대한 유전체에 전하가 포함되어 있으면 전자가 유전체에서 밀려나 신호 플레이트에서 짧은 전류 펄스로 읽혔다. 그러한 펄스가 없다는 것은 유전체가 전하를 유지하지 않았음을 의미했다.
더 작은 용량의 256비트(128 x 2비트) "생산" 장치[4]는 유사한 진공관 외피에 있었다. 8개의 음극 열로 분리된 직사각형 플레이트에 개별 "아일릿"의 두 개의 저장 배열로 제작되었다. 핀 수는 4096비트 장치의 44개에서 31개 핀과 두 개의 동축 신호 출력 커넥터로 줄었다. 이 버전에는 각 아일릿에 녹색 형광체가 포함되어 있어 눈으로도 비트 상태를 읽을 수 있었다.
5. 특허
참조
[1]
서적
Early Research on Computers at RCA
[2]
간행물
The History of the JOHNNIAC
http://www.rand.org/[...]
[3]
논문
The Selectron - A Tube for Selective Electrostatic Storage
http://www.rcaselect[...]
[4]
논문
The Selective Electrostatic Storage Tube
[5]
서적
Early Research on Computers at RCA
[6]
간행물
The History of the JOHNNIAC
http://www.rand.org/[...]
[7]
논문
"The Selectron -- A Tube for Selective Electrostatic Storage"
[8]
논문
"The Selective Electrostatic Storage Tube"
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