디지털 신호 처리 장치

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1. 개요
2. 역사
3. 아키텍처 특징
- 3.1. 소프트웨어 아키텍처
- 3.2. 하드웨어 아키텍처
4. 주요 응용 분야
참조

1. 개요

디지털 신호 처리 장치(DSP)는 실시간 처리에 최적화된 구조를 가진 특수 목적의 마이크로프로세서이다. 1970년대 후반 인텔이 최초의 DSP 칩을 출시한 이후, 하버드 아키텍처, 고속 곱셈-누산 연산, SIMD 및 VLIW 병렬 처리 기술 등을 통해 발전해 왔다. DSP는 통신, 음성/오디오 처리, 영상/이미지 처리 등 다양한 분야에 사용되며, 최근에는 GPU, Cell Broadband Engine, 미디어 프로세서 등 고성능 프로세서의 등장으로 DSP의 활용 분야가 다소 축소되기도 했다. DSP는 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처 측면에서 실시간 데이터 처리에 특화되어 있으며, 하드웨어 루프 제어, 포화 산술, 고정 소수점 연산, 파이프라이닝 및 병렬화된 MAC 장치를 활용한다.

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디지털 신호 처리 장치
개요
종류	마이크로프로세서
용도	디지털 신호 처리
특징	특수 목적 마이크로프로세서 실시간 신호 처리
구조 및 동작
핵심 연산	곱셈-누산 (MAC)
주요 구성 요소	산술 논리 장치 곱셈기 누산기 메모리 입출력 인터페이스
응용 분야
통신	이동 통신 음성 통신 데이터 통신
음성 처리	음성 인식 음성 합성 오디오 신호 처리
영상 처리	의료 영상 보안 카메라 자동 주행
제어 시스템	산업 자동화 로봇 공학 자동차 전자 제어
역사
최초의 단일 칩 DSP	텍사스 인스트루먼트 TMS32010 (1979년)
제조사
주요 제조사	텍사스 인스트루먼트 아날로그 디바이스 인텔 퀄컴 ST마이크로일렉트로닉스
특징
장점	실시간 처리 능력 높은 연산 성능 전력 효율성
단점	복잡한 프로그래밍 높은 개발 비용
같이 보기
관련 기술	디지털 신호 처리 (DSP) 임베디드 시스템 마이크로컨트롤러

2. 역사

디지털 신호 처리 장치(DSP) 기술은 수십 년에 걸쳐 발전해 왔으며, 크게 초기, 발전, 현대의 세 단계로 나눌 수 있다.

초기 (1970년대 후반 ~ 1980년대 초반): 특정 목적을 위한 DSP가 주로 개발되었다.
발전 (1980년대 중반 ~ 1990년대): 메모리 구조 개선, 특수 명령어 추가, 응용 분야별 장치 통합 등으로 범용 DSP의 성능이 크게 향상되었다.
현대 (2000년대 이후): SIMD, 초장대 명령어(VLIW), 슈퍼스칼라 아키텍처 등이 도입되어 연산 속도가 더욱 빨라졌다.

2. 1. 초기 (1970년대 후반 ~ 1980년대 초반)

1976년 리처드 위긴스는 텍사스 인스트루먼트(TI)에서 스피크 & 스펠 개발을 제안했다. 1978년 TI는 세계 최초의 DSP인 TMS5100을 개발, 이를 '스피크 & 스펠'에 적용했다.^[15] 이 칩은 음성 합성에 선형 예측 코딩을 사용한 최초의 칩이었다.^[16] 7 μm PMOS 반도체 소자 제조 공정으로 제작되었다.^[17]

1979년 아메리칸 마이크로시스템즈(AMI)는 S2811을 출시했다.^[3]^[4] S2811은 DSP로 특별히 설계된 최초의 집적 회로 칩이었으며, VMOS(V-그루브 MOS)를 사용하여 제작되었다.^[4] 모토로라 6800용 마이크로프로세서 주변 장치로 설계되었으나, 시장에서 큰 성공을 거두지는 못했다.

1980년 벨 연구소는 DSP1을, 일본 전기(NEC)는 μPD7720^영어을 발표했다. μPD7720^영어은 상업적으로 큰 성공을 거두었다.^[3]

1983년 TI는 TMS32010을 출시하여 DSP 시장을 주도하기 시작했다. 하버드 아키텍처 기반으로, 16비트 숫자에서 작동하며 곱셈-덧셈 연산에 390 ns가 필요했다.

2. 2. 발전 (1980년대 중반 ~ 1990년대)

1980년 국제 고체 회로 컨퍼런스(International Solid-State Circuits Conference)에서 일본 전기(Nippon Electric Corporation)의 NEC μPD7720과 AT&T의 DSP1과 같은 최초의 독립형 완전 DSP가 발표되었다.^[3] 음성 대역 애플리케이션용으로 출시된 μPD7720은 상업적으로 가장 성공적인 초기 DSP 중 하나였다. μPD7720은 국내뿐만 아니라 서구에서도 널리 사용되었기 때문에 AMI나 오키 전기에서 세컨드 소스품이 공급되었다.

1983년에는 텍사스 인스트루먼츠(TI)가 고성능의 TMS32010을 출시하여 성공을 거두었다. TMS32010은 내부 메모리가 없었고, TMS320M10은 내부 메모리가 있었다. 하버드 아키텍처였으며, 명령과 데이터 메모리가 분리되어 있었다. 로드 덧셈 명령이나 곱셈 누산 명령과 같은 특수한 명령 세트를 갖추고 있었다. 16비트 곱셈 누산 연산을 390나노초에 실행했다. TI는 현재 범용 DSP 시장의 리더가 되었다. 같은 해 후지쯔도 16비트 고정 소수점 DSP인 MB8764를 개발했다. 모토로라의 56000도 성공을 거두었다. 이후 아날로그 디바이시스사 등이 이 시장에 참여하여 널리 사용되게 되었다.

약 5년 후, 제2세대 DSP가 널리 퍼지기 시작했다. 2세대 DSP는 메모리 구조가 개선되어 여러 데이터에 동시에 접근할 수 있게 되었다.^[3] 이들은 두 개의 피연산자를 동시에 저장하기 위한 3개의 메모리를 가지고 있었고, 타이트 루프를 가속화하는 하드웨어를 포함했으며, 루프 주소 지정을 할 수 있는 주소 지정 장치도 있었다. 일부는 24비트 변수에서 작동했으며, 전형적인 모델은 곱셈-누산 연산(MAC)에 약 21 ns만 필요했다. 이 세대의 대표적인 예로 AT&T DSP16A와 모토로라 56000이 있다.

3세대 DSP는 응용 분야별 장치(ASIC)를 통합하거나 코프로세서 형태로 연결하여 특정 연산(예: 고속 푸리에 변환)을 가속화했다. 이러한 장치는 푸리에 변환 또는 행렬 연산과 같은 매우 특정한 수학적 문제를 직접 하드웨어로 가속화할 수 있었다. 모토로라 MC68356과 같은 일부 칩은 병렬로 작동하기 위해 둘 이상의 프로세서 코어를 포함했다. 1995년의 다른 DSP로는 TI TMS320C541 또는 TMS320C80이 있다.

2. 3. 현대 (2000년대 이후)

4세대 DSP는 명령어 세트 및 명령어 인코딩/디코딩의 변화로 가장 잘 특징지어진다. SIMD 확장이 추가되었으며 초장대 명령어(VLIW) 및 슈퍼스칼라 아키텍처가 나타났다. 클럭 속도도 꾸준히 증가하여, 이제 3ns MAC이 가능해졌다.

현대적인 신호 처리 장치는 더 높은 성능을 제공하는데, 이는 낮은 설계 규칙, 빠른 접근 2단계 캐시, DMA 회로 및 더 넓은 버스 시스템과 같은 기술 및 아키텍처 발전 덕분이다. 모든 DSP가 동일한 속도를 제공하는 것은 아니며, 각각 특정 작업에 더 적합하고 가격이 1.5달러에서 300USD까지 다양한 종류의 신호 처리 장치가 존재한다.

텍사스 인스트루먼트는 1.2GHz의 클럭 속도를 가지며 별도의 명령어 및 데이터 캐시를 구현하는 C6000 시리즈 DSP를 생산한다. 또한 8MiB의 2단계 캐시와 64개의 EDMA 채널을 가지고 있다. 최고 모델은 8000MIPS(초당 백만 개의 명령어)만큼 처리할 수 있으며, VLIW(초장 명령어)를 사용하고, 클럭 사이클당 8개의 연산을 수행하며 광범위한 외부 주변 장치 및 다양한 버스(PCI/직렬/등)와 호환된다. TMS320C6474 칩은 각각 세 개의 DSP를 가지고 있으며, 최신 세대 C6000 칩은 고정 소수점 처리뿐만 아니라 부동소수점 처리도 지원한다.

프리스케일은 다중 코어 DSP 제품군인 MSC81xx를 생산한다. MSC81xx는 StarCore 아키텍처 프로세서를 기반으로 하며 최신 MSC8144 DSP는 4개의 프로그래밍 가능한 SC3400 StarCore DSP 코어를 결합한다. 각 SC3400 StarCore DSP 코어는 1GHz의 클럭 속도를 갖는다.

XMOS는 DSP 작업에 적합한 다중 코어 다중 스레드 프로세서 라인을 생산한다. 400~1600 MIPS 범위의 다양한 속도로 제공된다. 프로세서는 코어당 최대 8개의 실시간 스레드를 허용하는 다중 스레드 아키텍처를 가지고 있으며, 이는 4코어 장치가 최대 32개의 실시간 스레드를 지원한다는 것을 의미한다. 스레드는 최대 80Mbit/s의 버퍼 채널을 통해 서로 통신한다. 이 장치는 C로 쉽게 프로그래밍할 수 있으며 기존의 마이크로컨트롤러와 FPGA 간의 격차를 좁히는 것을 목표로 한다.

CEVA, Inc.는 세 가지 뚜렷한 DSP 제품군을 생산하고 라이선스를 부여한다. 아마도 가장 잘 알려지고 널리 사용되는 것은 CEVA-TeakLite DSP 제품군으로, 16비트 또는 32비트 워드 폭과 단일 또는 이중 MAC을 가진 고전적인 메모리 기반 아키텍처이다. CEVA-X DSP 제품군은 VLIW와 SIMD 아키텍처의 조합을 제공하며, 제품군의 다양한 구성원은 이중 또는 쿼드 16비트 MAC을 제공한다. CEVA-XC DSP 제품군은 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 모뎀 설계를 목표로 하며 32개의 16비트 MAC을 갖춘 VLIW와 벡터 아키텍처의 고유한 조합을 활용한다.

아날로그 디바이스는 SHARC 기반 DSP를 생산하며 66MHz/198 MFLOPS(초당 백만 개의 부동 소수점 연산)에서 400MHz/2400MFLOPS의 성능을 제공한다. 일부 모델은 여러 개의 곱셈기와 ALU, SIMD 명령어 및 오디오 처리 전용 구성 요소 및 주변 장치를 지원한다. 블랙핀 임베디드 디지털 신호 프로세서 제품군은 DSP의 기능과 일반 용도 프로세서의 기능을 결합한다. 결과적으로 이러한 프로세서는 실시간 데이터를 처리하면서 μCLinux, velocity 및 Nucleus RTOS와 같은 간단한 운영 체제를 실행할 수 있다. SHARC 기반 ADSP-210xx는 지연된 분기와 비지연 분기를 모두 제공한다.^[21]

NXP 반도체는 오디오 및 비디오 처리에 최적화된 TriMedia VLIW 기술을 기반으로 하는 DSP를 생산한다. 일부 제품에서 DSP 코어는 SoC에 고정 기능 블록으로 숨겨져 있지만, NXP는 또한 다양한 유연한 단일 코어 미디어 프로세서를 제공한다. TriMedia 미디어 프로세서는 고정 소수점 산술뿐만 아니라 부동 소수점 산술도 지원하며 복잡한 필터 및 엔트로피 코딩을 처리하기 위한 특정 명령어가 있다.

CSR는 스캐너 및 복사기 애플리케이션을 위해 문서 이미지 데이터를 처리하는 데 최적화된 하나 이상의 사용자 지정 이미징 DSP를 포함하는 Quatro 제품군 SoC를 생산한다.

마이크로칩 테크놀로지는 PIC24 기반 dsPIC DSP 라인을 생산한다. 2004년에 출시된 dsPIC는 모터 제어 및 전원 공급 장치와 같이 진정한 DSP와 진정한 마이크로컨트롤러가 모두 필요한 애플리케이션을 위해 설계되었다. dsPIC는 최대 40MIPS로 실행되며 16비트 고정 소수점 MAC, 비트 역전 및 모듈로 어드레싱, DMA를 지원한다.

대부분의 DSP는 고정 소수점 산술을 사용한다. 이는 실제 신호 처리에서 부동 소수점이 제공하는 추가 범위가 필요하지 않으며, 하드웨어 복잡성을 줄여 속도와 비용 측면에서 큰 이점이 있기 때문이다. 부동 소수점 DSP는 넓은 동적 범위를 요구하는 응용 분야에서 매우 유용할 수 있다. 제품 개발자는 또한 더 비싼 하드웨어와 교환하여 소프트웨어 개발의 비용과 복잡성을 줄이기 위해 부동 소수점 DSP를 사용할 수 있다. 알고리즘을 부동 소수점으로 구현하는 것이 일반적으로 더 쉽기 때문이다.

일반적으로 DSP는 전용 집적 회로이지만, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 칩을 사용하여 DSP 기능을 만들 수도 있다.

임베디드 범용 RISC 프로세서는 기능면에서 점점 더 DSP와 유사해지고 있다. 예를 들어, OMAP3 프로세서는 ARM Cortex-A8 및 C6000 DSP를 포함한다.

통신 분야에서 DSP 기능과 H/W 가속 기능을 모두 제공하는 새로운 종류의 DSP가 주류를 이루고 있다. 이러한 모뎀 프로세서에는 ASOCS ModemX와 CEVA의 XC4000이 포함된다.

2018년 5월, 중국전자과학연구원 난징 연구소에서 설계한 Huarui-2가 승인을 통과했다.^[22] 0.4TFLOPS의 처리 속도를 가진 이 칩은 현재 주류 DSP 칩보다 더 나은 성능을 낼 수 있다. 설계 팀은 인공 지능을 지원하고 TFLOPS 수준의 처리 속도를 갖는 Huarui-3을 만들기 시작했다.^[23]

3. 아키텍처 특징

DSP는 일반적인 마이크로프로세서와 달리, 디지털 신호 처리에 특화된 아키텍처를 가지고 있다. 주요 특징은 다음과 같다.

실시간 처리: DSP는 실시간 신호 처리를 위해 설계되어, 지연 시간에 대한 제약 조건이 있는 시스템에 적합하다.
데이터 스트리밍 최적화: DSP는 스트리밍 데이터 처리에 최적화되어 있으며, 하버드 아키텍처를 사용하여 프로그램 메모리와 데이터 메모리를 분리한다.
특수 명령어: SIMD(Single Instruction, Multiple Data) 동작을 위한 특별한 명령어를 지원하여 병렬 처리를 효율적으로 수행한다.
하드웨어 구조: 멀티 테스킹을 지원하지 않는 하드웨어 구조를 가지고 있으며, 호스트 환경에서는 DMA 역할을 수행한다.
아날로그-디지털 변환: 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 처리 후 다시 아날로그 신호로 변환하는 기능을 수행한다.

DSP는 이러한 특징들을 통해 일반적인 마이크로프로세서보다 디지털 신호 처리 작업에서 더 높은 성능, 낮은 전력 소비, 그리고 더 저렴한 비용을 제공한다.

3. 1. 소프트웨어 아키텍처

DSP는 일반적인 수학 연산을 단일 명령어로 처리할 수 있도록 고도로 최적화된 명령어 집합을 가지고 있다. 특히, 곱셈-누산 연산(MAC, 융합 곱셈-덧셈)에 특화되어 있어, 행렬 연산, 컨볼루션을 이용한 필터링, 내적, 다항식 평가, FIR 필터, 고속 푸리에 변환(FFT) 등에 효율적이다.^[7]^[8]^[9]^[10]

또한, SIMD, VLIW와 같은 병렬 처리 기술을 지원하여 성능을 높인다.

링 버퍼 구현을 위한 모듈로 어드레싱, FFT 처리를 위한 비트 반전 어드레싱 모드 등 특수 명령어를 사용하여 연산 효율을 높인다.^[11]^[12] 제로 오버헤드 루핑과 하드웨어 루프 버퍼^[13]^[14]를 통해 특수 루프 제어를 수행하여, 매우 좁은 루프에서 몇 개의 명령어 단어를 실행하기 위한 아키텍처를 지원한다.

포화 산술은 오버플로가 발생하는 연산이 레지스터가 보유할 수 있는 최대값(또는 최소값)에 누적되도록 하는 방식이다.

3. 2. 하드웨어 아키텍처

DSP(디지털 신호 처리 장치)는 스트리밍 데이터 처리에 최적화되어 있으며, 여러 데이터나 명령어를 동시에 가져올 수 있는 특수한 메모리 아키텍처를 사용한다. 이는 하버드 아키텍처 또는 수정된 폰 노이만 아키텍처로, 프로그램 메모리와 데이터 메모리가 분리되어 있다(때로는 여러 데이터 버스에서 동시 접근도 가능).^[5]

메모리 구조 및 특징
프로그램 메모리와 데이터 메모리 분리 (하버드 아키텍처)^[5]
메모리 관리 유닛 없음: DSP는 멀티태스킹이 가능하지만, 가상 메모리나 메모리 보호는 지원하지 않음. (가상 메모리 사용 시 교체 처리에 예측 불가능한 시간 소요)^[5]
데이터 스트리밍을 위한 메모리 아키텍처, DMA 빈번하게 사용^[5]
여러 데이터와 명령을 동시에 가져올 수 있도록 설계^[5]
하버드 아키텍처^[5]
폰 노이만 아키텍처의 수정 버전^[5]
특수한 메모리 주소 계산 유닛^[5]
포화 산술 수행: 산술 자릿수 넘침, 산술 하위 자릿수 넘침 발생 시 각각 최대값, 최소값으로 반올림. (범용 CPU와 달리 최대값+1이 예외를 발생시키지 않고 최대값 유지. 포화 연산 모드 설정 가능)^[5]
고속화를 위해 고정 소수점 연산 사용^[5]
단일 사이클 처리에 의해 파이프라인 효율 향상^[5]
하드웨어 제어 루프를 통해 루핑 연산 오버헤드 감소/제거^[5]

4. 주요 응용 분야

디지털 신호 처리 장치(DSP)는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히, 특정 연산을 고속으로 처리하는 데 강점을 지녀 음성 처리, 이미지 처리 등에 많이 사용된다.

신호 처리: 레이더 등의 신호 처리와 무선 통신 회선의 신호 변조 및 복조에 사용된다.
음원: DTM용 음원 보드와 같은 PC용 확장 보드에 사용되었다.
전자기기: 휴대 전화, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 전자 악기 등에 사용되었다.

DSP는 고속 푸리에 변환과 같은 연산을 수행하여 아날로그 방식으로는 불가능한 필터 동작이나 신호 정보의 압축, 변조, 복조 처리를 가능하게 한다.^[5]

4. 1. 통신

DSP는 상업용 통신 위성에 디지털 신호 처리를 도입하여 성능 향상을 가져왔다. 수백, 수천 개의 아날로그 필터, 스위치, 주파수 변환기 등을 대체하여 위성의 무게, 전력 소비, 복잡성 및 비용을 줄이고 신뢰성과 작동 유연성을 높였다.^[6] 2018년에 발사된 SES의 SES-12 및 SES-14 위성은 에어버스 방위 및 우주에서 제작되었으며, 용량의 25%는 DSP를 사용했다.^[6]

DSP는 레이더 등의 신호 처리나 무선 통신 회선의 신호 변조·복조 등에도 사용되었다.

4. 2. 음성/오디오 처리

음성 인식, 음성 합성, 오디오 코덱, 음향 효과 처리 등에 사용된다.^[5] 특정 연산 처리를 고속으로 수행하는 것을 목적으로 만들어져, 음성 처리 등에 사용되는 경우가 많다. DTM용 음원 보드 등의 PC용 확장 보드, 휴대 전화, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 전자 악기 등에도 사용되었다.

4. 3. 영상/이미지 처리

DSP는 이미지 압축/복원, 영상 인식, 컴퓨터 비전 등에 사용된다.^[5] 특정 연산 처리를 고속으로 수행하는 것을 목적으로 하며, 음성 처리와 함께 이미지 처리 등에 사용되는 경우가 많다.^[5] 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라 등에서 활용된다.^[5] 고속 푸리에 변환과 같은 연산을 수행하여, 아날로그에서는 불가능한 필터 동작이나 신호 정보의 압축 등을 수행한다.^[5]

4. 4. 기타

DSP는 음성 및 이미지 처리, 레이더 신호 처리, 무선 통신 신호 변조·복조 등에 사용된다.^[5] 고속 푸리에 변환과 같은 연산을 통해 아날로그에서는 불가능한 필터 동작, 신호 정보 압축, 변조·복조 처리를 수행한다.^[5] 과거에는 DTM용 음원 보드와 같은 PC 확장 보드에도 사용되었으며, 현재는 휴대 전화, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 전자 악기 등 다양한 기기에 활용된다.^[5]

참조

_[1] 서적 Advances in Computers Academic Press 1993-08-13
_[2] 서적 Process Control and Optimization https://books.google[...] CRC Press
_[3] 웹사이트 1979: Single Chip Digital Signal Processor Introduced https://www.computer[...] Computer History Museum 2019-10-14
_[4] 웹사이트 30 years of DSP: From a child's toy to 4G and beyond https://www.edn.com/[...] 2019-10-14
_[5] 웹사이트 Architectures and Design techniques for energy efficient embedded DSP and multimedia processing http://ptolemy.eecs.[...] rijndael.ece.vt.edu 2017-06-13
_[6] 문서 Beyond Frontiers Broadgate Publications 2016-09
_[7] 문서 Memory and DSP Processors http://users.ece.ute[...]
_[8] 웹사이트 "DSP processors: memory architectures" http://www.bores.com[...] 2020-03-03
_[9] 문서 Architecture of the Digital Signal Processor http://www.dspguide.[...]
_[10] 문서 ARC XY Memory DSP Option https://www.synopsys[...]
_[11] 문서 Zero Overhead Loops https://microchipdev[...]
_[12] 문서 ADSP-BF533 Blackfin Processor Hardware Reference https://www.analog.c[...]
_[13] 문서 Understanding Advanced Processor Features Promotes Efficient Coding https://www.analog.c[...]
_[14] 서적 Compiler Construction 2000
_[15] 웹사이트 Speak & Spell, the First Use of a Digital Signal Processing IC for Speech Generation, 1978 http://www.ieeeghn.o[...] IEEE 2012-03-02
_[16] 웹사이트 IEEE Milestones Honor Three http://theinstitute.[...] IEEE 2012-03-02
_[17] 서적 Embedded and Networking Systems: Design, Software, and Implementation https://books.google[...] CRC Press 2017
_[18] 문서 Digital Graphic Audio Equalizer http://scholarworks.[...]
_[19] 웹사이트 Archived copy https://www.intel.co[...] 2019-02-17
_[20] 웹사이트 NEC Electronics Inc. μPD77C20A, 7720A, 77P20 Digital Signal Processors https://www.datashee[...] 2023-11-13
_[21] 웹사이트 Introduction of ADSP-21000 Family digital signal processors. https://www.brown.ed[...] 2023-12-01
_[22] 웹사이트 国产新型雷达芯片华睿2号与组网中心同时亮相-科技新闻-中国科技网首页 http://www.stdaily.c[...] 2018-07-02
_[23] 웹사이트 全国产芯片华睿２号通过"核高基"验收-新华网 http://www.xinhuanet[...] 2018-07-02
_[24] 서적 Foundations of Computer Technology https://books.google[...] CRC Press
_[25] 간행물 The Implementation of Recursive Digital Filters for High-Fidelity Audio https://ccrma.stanfo[...] 2020-11-27
_[26] 서적 Advances in Computers http://books.google.[...] Academic Press
_[27] 서적 Process Control and Optimization http://books.google.[...] CRC Press

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