아날로그 컴퓨터
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1. 개요
아날로그 컴퓨터는 물리량을 연속적인 값으로 처리하여 계산을 수행하는 컴퓨터로, 기계식과 전자식으로 분류된다. 초기에는 안티키테라 기계와 같은 기계식 장치에서 시작하여, 16세기에는 계산자, 19세기에는 미분 해석기와 같은 기계식 아날로그 컴퓨터가 개발되었다. 20세기에는 전력망 해석기, 사격 통제 시스템 등에 사용되는 전자식 아날로그 컴퓨터가 등장했다. 전자식 아날로그 컴퓨터는 연산 증폭기, 저항기, 축전기 등을 사용하여 미분 방정식과 같은 복잡한 계산을 수행하는 데 활용되었으나, 디지털 컴퓨터의 발달로 인해 1970년대 이후 쇠퇴했다. 그러나 제어 이론 교육, 뉴로모픽 컴퓨팅, 특정 분야의 시뮬레이션 등에서 여전히 활용되고 있으며, VLSI 기술을 활용한 새로운 아날로그 컴퓨터 연구도 진행되고 있다.
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| 아날로그 컴퓨터 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 연속적으로 변하는 데이터 기술을 사용하는 계산 기계 |
| 작동 방식 | 연속적인 물리량 (전압, 전류, 기계적 운동 등)을 사용하여 계산을 수행 |
| 사용 분야 | 초기 디지털 컴퓨터 개발에 영향 비행기, 선박, 잠수함 등 제어 시스템에 사용 초기 과학 및 공학 계산에 활용 자동화된 공정 제어 시뮬레이션 및 모델링 |
| 역사 | |
| 초기 모델 | 기계식 아날로그 컴퓨터 (톱니바퀴, 레버 등)를 사용하여 개발 |
| 20세기 초 | 전기 및 전자 아날로그 컴퓨터 등장 연산 증폭기, 저항, 커패시터 등 전자 부품 사용 |
| 제2차 세계 대전 | 군사적 목적으로 널리 사용 사격 통제 장치, 폭격 조준기 등 개발 |
| 1950년대 이후 | 디지털 컴퓨터 발전으로 인해 사용 빈도 감소 일부 특수 분야에서 계속 사용 |
| 작동 원리 | |
| 물리적 표현 | 물리적 양을 사용하여 문제를 표현 전압, 전류, 기계적 변위, 회전 등 사용 |
| 연산 수행 | 물리적 조작을 통해 수학적 연산 수행 전압 증폭, 감쇠, 적분, 미분 등 수행 |
| 결과 출력 | 그래프, 바늘 움직임, 기타 물리적 형태로 결과 출력 |
| 유형 | |
| 기계식 | 톱니바퀴, 캠, 레버 등 기계적 부품 사용 계산 자, 플래니미터, 적분기 등 |
| 전기식 | 연산 증폭기, 저항, 커패시터 등 전자 부품 사용 연산 증폭기 기반의 아날로그 컴퓨터 |
| 유압식 | 액체의 흐름을 이용하여 계산 수행 유압식 서보 시스템 등 |
| 장단점 | |
| 장점 | 복잡한 미분 방정식을 실시간으로 해결 가능 빠른 연산 속도 직관적인 인터페이스 |
| 단점 | 정밀도 제한 프로그래밍 유연성 부족 설정 및 유지 보수 어려움 온도, 습도 등 환경 변화에 민감 |
| 현대적 응용 | |
| 특수 목적 | 항공기, 선박, 잠수함 등 제어 시스템 일부 과학 및 공학 시뮬레이션 교육 목적 (아날로그 연산 원리 학습) |
| 하이브리드 컴퓨터 | 디지털과 아날로그 연산을 결합 특수한 계산에 활용 |
| 기타 | 센서 신호 처리 제어 시스템 오디오 신호 처리 |
| 참고 자료 | |
| 관련 정보 | ARS 테크니카: 기계식 아날로그 컴퓨터가 파도를 지배했을 때 홀로그래픽 비전: 새로운 과학의 역사 |
2. 역사
대한민국 최초의 아날로그 컴퓨터는 1960년대 초 한양대 이만영 교수가 제작한 '전자관식 아날로그 계산기'이다. 1962년 소형 1호기, 1963년 대형 2호기, 1964년 개량형 3호기가 제작되었으며, 1·2호기는 화재로 소실되고 3호기만 남아있다.[70] 1964년에는 인하대학교에서 한국산 부품으로 제작된 아날로그 컴퓨터가 '한국산 1호 전자계산기'로 소개되기도 했다.[71]
초기 계산 장치 중 일부는 현대적 정의에는 부합하지 않지만, '컴퓨터'라고 불리기도 했다.
아날로그 컴퓨터는 신호 발생기, 증폭기, 필터, 변조기와 복조기, 가산기, 승산기, 로그 변환기, 저장 및 메모리, 피드백 및 제어, 패치 패널, 하드웨어 인터페이스, 출력 장치, 전원 공급 장치 및 안정기 등 여러 주요 구성 요소로 이루어져 있다.[26][27][28][29]
아날로그 컴퓨터는 빠르지만, 디지털 컴퓨터는 다재다능하고 정확하여, 아날로그-디지털 하이브리드는 두 기술을 결합하여 효율성을 높이는 방식이다. 1970년대에는 아날로그 컴퓨터와 디지털 컴퓨터를 결합한 하이브리드 컴퓨터가 개발되어 NASA의 아폴로 계획 등에 사용되었다.[30] 1980년대 이후 디지털 컴퓨터가 발전하면서 아날로그 컴퓨터의 활용도는 감소했다.
역사적으로 다양한 기계 장치가 개발되었는데, 그중 일부는 이론적 중요성이나 생산량 면에서 주목할 만하다. 기계식 아날로그 컴퓨터는 회전축, 케이블, 도르래, 랙과 피니언 등을 사용하여 변수를 전달하고 계산했다. 정밀한 미터 기어 차동 장치는 덧셈과 뺄셈에 사용되었고(예: 포드 인스트루먼트 마크 1 사격 통제 컴퓨터(Mark I Fire Control Computer)- 약 160개), 적분은 회전 디스크와 픽오프 장치를, 캠은 한 변수의 임의 함수를, 3차원 캠은 두 변수의 함수를 제공했다. 기계적 리졸버는 극좌표와 직교좌표 간 변환을 수행했고, 곱셈은 유사한 직각 삼각형의 기하학을 기반으로, 특수한 유형의 적분기는 강철 볼을 기반으로 했다. 전기 기계식 위치 서보는 계산 메커니즘의 입력에 작동 토크를 제공하고 출력 데이터 전송 장치를 구동하는 데 필수적이었다.
전자식 아날로그 컴퓨터는 전면 패널, 패치 코드, 포텐쇼미터, 아날로그 포인터식 미터, 연산 증폭기 등을 사용하여 구성되었다. 연산 증폭기는 가산, 적분 등의 수학 연산을 수행했고, 비선형 함수는 함수 생성기를 통해 제한된 정밀도로, 트랜지스터의 베이스-에미터 접합은 로그 또는 지수 함수를 제공했다.
물리적 프로세스를 모델링하여 아날로그 컴퓨터로 해석할 수 있다. 초고밀도 집적회로(VLSI) 기술 발전과 함께 아날로그/하이브리드 컴퓨터 설계가 재조명되고 있다. 2005년과 2015년에 에너지 효율적인 아날로그/하이브리드 컴퓨터 칩이 개발되었으며,[36][38] 2016년에는 미분 방정식을 푸는 컴파일러가 개발되었다.[39] 뉴로모픽 컴퓨팅에도 아날로그 컴퓨터가 활용될 수 있다.[40] 2021년, 독일 회사 anabrid GmbH는 교육 및 과학적 용도의 소형 아날로그 컴퓨터 THE ANALOG THING(THAT)을 출시했다.[41]
아날로그 컴퓨터는 용도가 고정된 전용 계산기가 많지만, 범용성을 가진 것도 있었다. 아날로그 컴퓨터는 물리량을 연속량으로 연산하는 반면, 디지털 컴퓨터는 이산적으로 취급하여 대수적으로 계산한다. 전자식 아날로그 컴퓨터는 연산 증폭기를 사용하여 미분방정식 해석 등에 활용되었다.
2. 1. 고대 및 초기
안티키테라 기계는 천체의 위치를 결정하는 데 사용되었던 장치로, 데렉 드 솔라 프라이스는 이를 초기 기계식 아날로그 컴퓨터로 묘사했다.[3] 이 기계는 1901년 그리스 안티키테라 섬 근해의 안티키테라 난파선에서 발견되었으며, 헬레니즘 시대의 것으로 추정된다. 안티키테라 기계와 비슷한 수준의 복잡성을 가진 장치는 1000년 후에나 다시 등장했다.
천구의는 기원전 2세기경 프톨레마이오스가 처음으로 설명했다. 천체관측의는 기원전 1세기 또는 2세기 헬레니즘 세계에서 발명되었으며, 종종 히파르쿠스에게 그 공로가 돌아간다. 천구의와 디오프트라의 결합체인 천체관측의는 구면 천문학의 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 아날로그 컴퓨터였다.
2. 2. 중세 및 근대
16세기 후반, 섹터가 개발되어 포병, 측량, 항해에 사용되었다. 1620년~1630년에는 곱셈과 나눗셈을 수행하는 계산자가 발명되었다.1831년~1835년, 조반니 플라나가 영구 달력 기계를 고안했다. 1872년에는 윌리엄 톰슨 경이 조석 예측 기계를 발명했다.[68] 1876년에는 제임스 톰슨이 미분 해석기의 가능한 구조에 대해 논의했고, 1920년대 ~ 1930년대에 실용화되었다.
2. 3. 현대
1902년경, 듀마레스크(Dumaresq)는 영국 왕립 해군에서 사용된 기계식 계산 장치였다. 이는 자함과 표적함의 움직임을 계산하는 아날로그 컴퓨터로, 비커스 거리 시계(Vickers range clock)와 함께 사용되어 함선의 조준경 설정을 지원했다.1912년, 아서 폴렌(Arthur Pollen)은 미분 해석기(differential analyser) 기반의 전기 구동 기계식 아날로그 컴퓨터를 개발하여 러시아 제국 해군(Imperial Russian Navy)에서 사격 통제 시스템으로 활용했다.[9]
1929년부터는 교류 전력망 해석기(AC network analyzers)가 건설되어 전력 시스템 관련 계산 문제를 해결하는 데 사용되었다.[10] 이는 전기적 특성을 축소한 모델로, 핵물리학 및 구조 설계 문제 해결에도 활용되었으며, 1950년대 말까지 50개 이상 제작되었다.
제2차 세계 대전 시기에는 사격 지휘 장치, 사격 제어 컴퓨터(gun data computer), 폭격 조준기(bomb sight) 등에서 기계식 아날로그 컴퓨터가 사용되었다. 1942년, 헬무트 횔처(Helmut Hölzer)는 페네뮌데 육군 연구 센터(Peenemünde Army Research Center)에서 전자식 아날로그 컴퓨터를 제작하여 V-2 로켓(V-2 rocket) 궤적 계산 및 미사일 유도에 활용했다.[11][12][13][14]
네덜란드에서는 1930년부터 1945년까지 요한 반 펜(Johan van Veen)이 조류 계산용 아날로그 컴퓨터를 개발했으며, 1950년경에는 델타(Deltar)로 발전하여 델타 계획(Delta Works)을 지원했다.
1947년, 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 중성자 수송 연구를 위한 페르미악(FERMIAC)을 발명했다.[15] 1950년에는 사이클론 프로젝트(Project Cyclone)를 통해 동적 시스템 분석 및 설계를 위한 아날로그 컴퓨터가 개발되었고,[16] 1952년에는 RCA에서 4,000개 이상의 진공관을 사용한 타이푼 프로젝트(Project Typhoon) 아날로그 컴퓨터를 개발했다.[17] 1949년에는 국가 경제 모델을 구현한 모니악 컴퓨터(MONIAC Computer)가 공개되었다.[18]
1950년, 캘리포니아 공과대학교 출신 연구자들이 설립한 Computer Engineering Associates는 상업적 아날로그 컴퓨터 서비스를 제공했다.[19][20]
1960년경, 히스킷(Heathkit) EC-1과 같은 교육용 아날로그 컴퓨터가 등장하여 아날로그 계산 원리를 교육하는 데 활용되었다.[21] 제너럴 일렉트릭(General Electric)도 교육용 아날로그 컴퓨터 키트를 판매했다.
1968년과 2002년에는 전자 잡지에 아날로그 및 하이브리드 컴퓨터 설계가 게재되기도 했다.
산업 공정 제어(process control) 분야에서는 온도, 유량, 압력 등을 자동으로 조절하는 아날로그 루프 제어기가 사용되었다.
3. 대한민국의 아날로그 컴퓨터
1960년대 초, 한양공대 전자공학과 이만영 교수가 대한민국 최초의 아날로그 컴퓨터를 제작했다. '전자관식 아날로그 계산기'라 불린 이 컴퓨터는 3종으로, 1962년 8월에 소형인 1호기, 1963년 3월에 대형인 2호기, 1964년 5월에 2호기를 개량한 3호기가 제작되었다. 1·2호기는 화재로 소실되었고 3호기가 한양대학교박물관에 남아 있다.[70]
1964년 3월에는 인하공대에서 한국산 부품으로 제작된 아날로그 컴퓨터를 개발하여, 한국산 1호 전자계산기로 소개되기도 했다.[71]
4. 분류
아날로그 컴퓨터는 크게 기계식과 전자식으로 분류할 수 있다.
- 기계식 아날로그 컴퓨터: 안티키테라 기계나 계산자처럼 톱니바퀴나 지렛대 등 기계 장치를 이용하여 계산을 수행하는 방식이다.
- 전자식 아날로그 컴퓨터: 연산 증폭기, 저항기, 축전기 등의 전자 부품을 사용하여 계산을 수행하는 방식이다. 주로 미분 방정식을 푸는 데 사용된다.[26][27][28][29]
4. 1. 기계식 아날로그 컴퓨터
안티키테라 기계는 데렉 드 솔라 프라이스에 의해 초기 기계식 아날로그 컴퓨터로 묘사되었다.[3] 1901년 그리스 안티키테라 섬 근해의 안티키테라 난파선에서 발견되었으며, 헬레니즘 시대인 기원전 150~100년경의 것으로 추정된다. 이와 비슷한 수준의 복잡성을 가진 장치는 1000년 후까지 다시 등장하지 않았다.천구의는 2세기경 프톨레마이오스에 의해 처음으로 설명되었다. 아스트롤라베는 기원전 1세기 또는 2세기 헬레니즘 세계에서 발명되었으며, 히파르쿠스에게 그 공로가 돌아가는 경우가 많다. 천구의와 디오프트라의 결합체인 아스트롤라베는 구면 천문학의 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 아날로그 컴퓨터였다.
계산자는 16세기 후반에 개발되어 포병, 측량 및 항해에 사용되었다.
플래니미터는 기계적 연결 장치를 사용하여 폐쇄된 도형을 따라 추적하여 그 면적을 계산하는 수동 장치였다.
슬라이드 규칙은 로그 개념이 발표된 직후인 1620년에서 1630년 사이에 발명되었다. 곱셈과 나눗셈을 수행하는 수동 아날로그 컴퓨터이며, 초월 함수(예: 로그와 지수, 원형 및 쌍곡선 삼각법) 및 기타 함수를 제공하는 추가 눈금이 제공되기도 했다.
1831년에서 1835년 사이에 조반니 플라나는 영구 달력 기계를 고안했다.[4]
윌리엄 톰슨 경이 1872년에 발명한 조석 예측 기계는 얕은 물에서의 항해에 매우 유용했다.
미분 해석기는 적분을 통해 미분 방정식을 푸는 데 설계된 기계식 아날로그 컴퓨터로, 1876년 제임스 톰슨이 고안했다. 레오나르도 토레스 케베도가 다양한 아날로그 기계를 제작하기도 했다.[5][6][7] 1920년대부터 바네바 부시 등은 기계식 미분 해석기를 개발했다.
듀마레스크(Dumaresq)는 1902년경 존 듀마레스크 중위가 발명한 기계식 계산 장치였다.
1912년, 아서 폴렌은 미분 해석기를 기반으로 사격 통제 시스템을 위한 전기 구동 기계식 아날로그 컴퓨터를 개발했다. 이것은 제1차 세계 대전 당시 러시아 제국 해군에서 사용되었다.[9]
1929년부터 교류 전력망 해석기가 건설되어 전력 시스템 관련 계산 문제를 해결하는 데 사용되었다.[10]
제2차 세계 대전 시대의 사격 지휘 장치, 사격 제어 컴퓨터, 폭격 조준기는 기계식 아날로그 컴퓨터를 사용했다. 1942년 헬무트 횔처는 페네뮌데 육군 연구 센터에서 완전 전자식 아날로그 컴퓨터를 제작했다.[11][12][13] 기계식 아날로그 컴퓨터는 제2차 세계 대전, 한국 전쟁, 그리고 베트남 전쟁 이후에도 사격 통제에서 매우 중요했다.
네덜란드에서는 1930년~1945년에 요한 반 펜이 조류를 계산하고 예측하기 위한 아날로그 컴퓨터를 개발했다. 1950년경 이 아이디어는 델타(Deltar)로 발전했다.
페르미악은 1947년 엔리코 페르미가 중성자 수송 연구에 도움을 주기 위해 발명한 아날로그 컴퓨터였다.[15]
역사를 통틀어 다양한 기계 장치가 개발되었지만, 그 이론적 중요성이나 상당한 수량이 제조되었다는 점 때문에 몇몇 장치가 두드러진다.
- 회전축: 변수를 한 기계에서 다른 기계로 전달.
- 케이블과 도르래: 조석 예측 기계에 사용.
- 랙과 피니언: 입력과 출력에만 회전축을 사용하고 정밀한 랙과 피니언을 사용.
- 정밀한 미터 기어 차동 장치: 덧셈과 뺄셈에 사용.
- 회전 디스크: 다른 변수에 대한 적분에 사용.
- 캠: 한 변수의 임의 함수 제공.
- 3차원 캠: 두 변수의 함수 제공.
- 기계적 리졸버: 극좌표에서 직교좌표로의 좌표 변환.
- 유사한 직각 삼각형 기반 메커니즘: 곱셈 수행.
- 강철 볼 기반 적분기: 중간 정도의 정확도만 필요한 지점에서 사용.
4. 2. 전자식 아날로그 컴퓨터
연산 증폭기, 저항기, 축전기 등의 전자 부품을 사용하여 계산을 수행하는 방식의 아날로그 컴퓨터이다.
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아날로그 컴퓨터는 연산 증폭기, 축전기, 저항기, 포텐쇼미터, 다이오드 등을 사용하여 적분기, 가산기, 부호 반전기, 계수기, 승산기, 비선형 함수 발생기 등의 연산 요소를 구성하고, 이것을 조합하여 방정식을 구성한다. 초기 조건을 주어 해를 구하는 방식으로 미분 방정식을 푸는 데 많이 사용된다.[26][27][28][29] 대부분 반전 증폭기와 저항, 축전기를 사용하여 가산기 겸 부호 반전 밀러 적분기를 구성한다.
연산 결과 표시기로는 펜 기록계를 이용하는 “저속형”과 오실로스코프 등 CRT에 반복하여 그리게 하는 “고속형”, “반복형”이 있다. CRT 표시에서는 깜빡임을 피하기 위해 초당 25회 정도 이상의 반복이 필요하며, 그보다 긴 시간의 현상은 시간축 변환을 하여 연산 표시했다.
기계, 전기 등 물리 현상을 방정식으로 나타내어 좌표축 변환을 실시하고 아날로그 계산기에 방정식을 설정하여 연산을 실시, 그 결과를 원래의 물리량으로 환원하여 읽는다. 실용상, 연산 증폭기의 사용 가능 주파수 범위가 넓지 않아 고역 특성이 요구되는 미분기를 범용으로 사용하는 것은 없고, 미분 방정식은 적분기를 사용하도록 식을 전개하여 사용하는 것이 보통이다.
질량·스프링 시스템을 예로 들면, 물리적 시스템은 스프링·추를 연결하여 고정 장치로 고정하고, 입력 범위에 대응하는 시험 장치를 붙여 실측한다.
전기적 등가 시스템은 증폭 장치(오페앰프)와 수동 선형 부품으로 구성할 수 있다. 회로 내에서 질량은 포텐쇼미터로 조절 가능하다. 이러한 전기적 시스템은 물리 시스템의 유추이므로 아날로그 컴퓨터라고 불린다.
이러한 방식은 조건마다 현물을 제작하여 확인하는 것보다 저렴하고 안전하며, 간단하게 변경 가능하고 포괄적인 조건으로 모의 검토가 가능하다. 또한 전자회로는 시뮬레이션 대상 기계 시스템보다 고속으로 동작하는 경우가 많아 실시간 이상으로 빠르게 결과를 얻을 수 있다. 단점은 다이나믹 레인지(최대 출력/잡음 레벨)에 의해 변수의 범위가 제한된다는 것이다.
미분 해석기와 같은 미적분에는 커패시턴스나 인덕턴스를 이용할 수 있다(정확도는 과제에 따라 다르다).[56]
1950년, 역학계 해석·설계용 아날로그 컴퓨터 Cyclone이 만들어졌다.[57]
1952년, RCA가 아날로그 컴퓨터 Typhoon을 만들었다. 진공관 4000개, 다이얼 100개, 프로그래밍(배선)용 커넥터 6000개 등으로 구성되었다.[58]
1963년, 히스키트는 199달러의 교육용 반복형 아날로그 컴퓨터 EC-1을 발매했다.[59] 연산 증폭기 오페앰프 9개를 포함한 부품을 패치 코드로 배선하여 사용하는 형태였다. 오페앰프가 9개이므로 2계 미분 방정식 2조의 연립을 구성할 수 있으며, 감쇠 진동 해, 임계 제동, 과제동 해, 단진동 해(정현파 발생), 결합 공진 회로 등을 볼 수 있었다. 5극 3극관인 6U8 단관으로 연산 증폭기를 구성하고, 쌍2극관 6AL5로 대기시 전위 클램프를 실시, 멀티 바이브레이터 발진기로 교류 전원 주파수 전후로 연산을 반복했기 때문에 기계계 해석에서는 시간축 스케일 변환이 필수적이었다.[60]
5. 구성 요소
아날로그 컴퓨터는 다양한 구성 요소를 통해 계산을 수행한다. 전자식 아날로그 컴퓨터는 일반적으로 전면 패널에 수많은 잭(단일 접점 소켓)을 가지고 있으며, 패치 코드(양쪽 끝에 플러그가 있는 유연한 전선)를 사용하여 문제 설정을 정의하는 상호 연결을 만든다. 또한, 배율 인자를 설정하고 필요에 따라 변경하기 위한 고정밀 고해상도 포텐쇼미터(가변 저항)가 있다. 일반적으로 중앙 영점 아날로그 포인터식 미터를 사용하여 적당한 정확도의 전압 측정을 수행하며, 안정적이고 정확한 전압원이 알려진 크기를 제공한다.
5. 1. 주요 구성 요소
아날로그 컴퓨터는 여러 주요 구성 요소로 이루어져 있다.[26][27][28][29]- '''신호 발생기:''' 입력 데이터와 연산을 나타내는 전압 또는 전류와 같은 아날로그 신호를 생성한다.
- '''증폭기:''' 아날로그 신호를 증폭하고 시스템 전체에서 진폭을 유지한다. 약한 입력 신호를 증폭하고 전송 중 신호 손실을 보상한다.
- '''필터:''' 특정 주파수를 억제하거나 증폭하여 신호의 스펙트럼을 수정한다. 계산 요구 사항에 따라 특정 신호 구성 요소를 분리하거나 억제할 수 있다.
- '''변조기와 복조기:''' 변조기는 정보를 통신 채널을 통해 전송할 수 있는 아날로그 신호로 변환하고, 복조기는 역변환을 수행하여 변조된 신호에서 원래 데이터를 복구한다.
- '''가산기, 승산기, 로그 변환기 및 기타 계산 단계:''' 아날로그 신호에 대한 산술 연산을 수행한다. 덧셈, 곱셈, 지수, 적분 및 미분과 같은 수학 연산에 사용할 수 있다.
- '''저장 및 메모리:''' 아날로그 컴퓨터는 중간 결과와 메모리를 저장하기 위해 축전기나 인덕터와 같은 다양한 형태의 정보 저장 장치를 사용할 수 있다.
- '''피드백 및 제어:''' 아날로그 컴퓨터의 안정성과 정확성을 유지하는 데 사용된다. 규제 시스템과 오류 수정을 포함할 수 있다.
- '''패치 패널:''' 시스템 내의 다양한 구성 요소와 모듈을 상호 연결하기 위해 커넥터 또는 접점이 배치된 물리적 구조이다. 패치 패널에서 다양한 연결과 경로를 설정하고 전환하여 기기를 구성하고 신호 흐름을 결정할 수 있다. 이를 통해 사용자는 특정 작업을 수행하도록 아날로그 컴퓨팅 시스템을 유연하게 구성하고 재구성할 수 있다. 패치 패널은 데이터 흐름을 제어하고, 신호 발생기, 증폭기, 필터 및 기타 구성 요소를 포함한 시스템의 다양한 블록 간의 연결을 연결하거나 분리하는 데 사용된다. 아날로그 계산의 구성과 실험에 편리성과 유연성을 제공한다. 패치 패널은 커넥터가 있는 물리적 패널 또는 신호 연결과 경로의 가상 관리를 허용하는 소프트웨어 인터페이스로 제공될 수 있다.
- '''하드웨어 인터페이스:''' 예를 들어 매개변수 제어 또는 데이터 전송을 위해 기기와 상호 작용하는 수단을 제공한다.
- '''출력 장치:''' 사용자에게 편리한 형태로 아날로그 계산 결과를 제시하거나 얻은 데이터를 다른 시스템으로 전송하도록 설계되었다. 아날로그 기기의 출력 장치는 시스템의 특정 목표에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 그래픽 표시기, 오실로스코프, 그래픽 기록 장치, TV 연결 모듈, 전압계 등이 될 수 있다. 이러한 장치를 통해 아날로그 신호를 시각화하고 측정 또는 수학 연산 결과를 나타낼 수 있다.
- '''전원 및 안정기.'''
이들은 일반적인 아날로그 컴퓨팅 기기에서 찾을 수 있는 일반적인 블록일 뿐이다. 실제 구성과 구성 요소는 특정 구현 및 기기의 의도된 용도에 따라 다를 수 있다.
5. 2. 전자식 아날로그 컴퓨터의 핵심 구성 요소
전자식 아날로그 컴퓨터는 일반적으로 다음과 같은 핵심 구성 요소들을 가진다.- 연산 증폭기: 수학 연산을 수행하기 위해 사용되며, 매우 높은 이득과 안정적인 입력을 가진 피드백 증폭기의 일종이다. 주로 가산 증폭기로 사용되어 아날로그 전압을 더하고 빼는 역할을 하며, 커패시터 피드백을 통해 입력의 합을 시간에 대해 적분하기도 한다.[1]
- 정밀 저항 및 축전기: 전기 아날로그 컴퓨터에서 비 이상적인 효과를 줄이기 위해 신중하게 제조된다. 고품질 커패시터를 사용하여 문제를 저항 및 커패시티브 요소만으로 해결할 수 있도록 한다.[1]
- 포텐쇼미터: 배율 인자를 설정하고 변경하는 데 사용되는 고정밀 고해상도 가변 저항이다.[1]
- 고정 함수 발생기: 비선형 함수와 계산을 제한된 정밀도로 구성하는 데 사용된다. 저항과 다이오드의 다양한 조합으로 구성되며, 입력 전압이 증가함에 따라 점진적으로 더 많은 다이오드가 전도되도록 설계된다.[1]
이 외에도 아날로그 승산기, 비선형 함수 생성기, 아날로그 비교기 등이 계산 요소로 포함될 수 있다.[1] 트랜지스터의 베이스-에미터 접합의 순방향 전압 강하는 정확한 로그 또는 지수 함수를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 연산 증폭기는 출력 전압의 크기를 조정하는 역할을 한다.[1]
전자 아날로그 컴퓨터의 핵심 수학 연산은 다음과 같다.[1]
6. 작동 원리
아날로그 컴퓨터는 물리량을 연속적인 값으로 취급하여 연산을 수행한다. 전자식 아날로그 컴퓨터는 특히 미분 방정식으로 표현되는 문제를 해결하는 데 적합하다.[26][27][28][29]
전자 아날로그 컴퓨터는 일반적으로 다음과 같은 여러 주요 구성 요소로 이루어져 있다.
| 구성 요소 | 설명 |
|---|---|
| 신호 발생기 | 입력 데이터와 연산을 나타내는 전압 또는 전류와 같은 아날로그 신호를 생성한다. |
| 증폭기 | 아날로그 신호를 증폭하고 시스템 전체에서 진폭을 유지한다. 약한 입력 신호를 증폭하고 전송 중 신호 손실을 보상한다. |
| 필터 | 특정 주파수를 억제하거나 증폭하여 신호의 스펙트럼을 수정한다. 계산 요구 사항에 따라 특정 신호 구성 요소를 분리하거나 억제할 수 있다. |
| 변조기와 복조기 | 변조기는 정보를 통신 채널을 통해 전송할 수 있는 아날로그 신호로 변환하고, 복조기는 역변환을 수행하여 변조된 신호에서 원래 데이터를 복구한다. |
| 가산기, 승산기, 로그 변환기 및 기타 계산 단계 | 아날로그 신호에 대한 산술 연산을 수행한다. 덧셈, 곱셈, 지수, 적분 및 미분과 같은 수학 연산에 사용할 수 있다. |
| 저장 및 메모리 | 중간 결과와 메모리를 저장하기 위해 커패시터나 인덕터와 같은 다양한 형태의 정보 저장 장치를 사용할 수 있다. |
| 피드백 및 제어 | 아날로그 컴퓨터의 안정성과 정확성을 유지하는 데 사용된다. 규제 시스템과 오류 수정을 포함할 수 있다. |
| 패치 패널 | 시스템 내의 다양한 구성 요소와 모듈을 상호 연결하기 위해 커넥터 또는 접점이 배치된 물리적 구조이다. 패치 패널에서 다양한 연결과 경로를 설정하고 전환하여 기기를 구성하고 신호 흐름을 결정할 수 있다. |
| 하드웨어 인터페이스 | 예를 들어 매개변수 제어 또는 데이터 전송을 위해 기기와 상호 작용하는 수단을 제공한다. |
| 출력 장치 | 사용자에게 편리한 형태로 아날로그 계산 결과를 제시하거나 얻은 데이터를 다른 시스템으로 전송하도록 설계되었다. (예: 그래픽 표시기, 오실로스코프, 그래픽 기록 장치, TV 연결 모듈, 전압계 등) |
| 전원 및 안정기 |
전자 아날로그 컴퓨터는 연산 증폭기(op amps)를 포함하는데, 이는 수학 연산을 수행하기 때문에 이러한 이름이 붙었다. 연산 증폭기는 매우 높은 이득과 안정적인 입력을 가진 특정 유형의 피드백 증폭기이다. 대표적인 설정에서 대부분의 연산 증폭기는 가산 증폭기이며, 아날로그 전압을 더하고 빼서 출력 잭에 결과를 제공한다. 또한, 커패시터 피드백을 사용하는 연산 증폭기는 입력의 합을 시간에 대해 적분한다.[26][27][28][29]
비선형 함수와 계산은 함수 생성기를 설계하여 제한된 정밀도로 구성할 수 있다. 일반적으로 입력 전압이 증가함에 따라 점진적으로 더 많은 다이오드가 전도된다. 온도를 보상하면 트랜지스터의 베이스-에미터 접합의 순방향 전압 강하는 사용 가능한 정확한 로그 또는 지수 함수를 제공할 수 있다.[26][27][28][29]
아날로그 컴퓨터는 계산이 실시간으로 수행된다는 장점이 있다. 이 특성을 이용하면 디지털 컴퓨터에서는 다소 어려운 적분 계산도 간단하게 할 수 있다.
어떤 계를 아날로그 컴퓨터라고 부르려면 요구하는 값이 모두 측정 가능해야 한다.
7. 한계
일반적으로 아날로그 컴퓨터는 비이상적인 효과에 의해 제한된다. 아날로그 신호는 직류(DC) 및 교류(AC) 크기, 주파수, 위상의 네 가지 기본 구성 요소로 구성된다. 이러한 특성의 실제 범위 한계는 아날로그 컴퓨터를 제한한다. 이러한 한계에는 잡음 바닥, 비선형성, 온도 계수 등이 포함된다.[43] 아날로그 컴퓨터는 다루는 수치의 정밀도와 분해능 등이 기계적, 물리적인 다이내믹 레인지의 영향을 받는다.[44]
아날로그 컴퓨터는 물리량을 연속량으로 연산한다는 점에서, 이산적인 값으로 대수적 계산을 하는 디지털 컴퓨터와 차이가 있다. 아날로그 컴퓨터는 이론적으로 처리할 수 있는 한계뿐만 아니라, 기계 가공이나 전자 부품의 정밀도 및 한계와 같은 실제적인 제약도 존재한다. 예를 들어, 실제 캐패시터는 과도한 전압을 가하면 고장 난다.
"고속형" 아날로그 컴퓨터는 전류가 흐르는 초기 과도 응답 지연만으로 처리가 완료되어 신호 처리 등에서 디지털 신호 처리보다 적합한 경우도 있다.
8. 현대적 응용 및 부활
아날로그 컴퓨터는 디지털 컴퓨터의 발전으로 활용 분야가 줄었지만, 여전히 교육, 연구, 특수 분야에서 활용되고 있다. 제2차 세계 대전, 한국 전쟁, 베트남 전쟁 동안 사격 통제 시스템에 중요하게 사용되었으며, 상당수가 제작되었다.[14] 1960년대에는 일렉트로닉 어소시에이츠와 Applied Dynamics가 주요 제조업체였다.
1970년대 이후 디지털 컴퓨터가 발전하면서 아날로그 컴퓨터는 점차 대체되었지만, 일부 대학에서는 여전히 제어 이론 교육에 아날로그 컴퓨터를 사용하고 있다.[33] Comdyna는 소형 아날로그 컴퓨터를 제조하고 있으며,[33] 하버드 로보틱스 연구소에서는 아날로그 컴퓨팅을 연구 주제로 다루고 있다.[35]
최근에는 뉴로모픽 컴퓨팅, 오류 수정 회로 등 새로운 분야에서 아날로그 컴퓨팅 기술이 다시 주목받고 있다. 컬럼비아 대학교의 Yannis Tsividis 연구팀은 표준 CMOS 공정에서 아날로그/하이브리드 컴퓨터 설계를 재검토하고 있으며, 에너지 효율적인 미분 방정식/편미분 방정식 응용 프로그램을 목표로 하는 VLSI 칩을 개발했다.[36][38] 2016년에는 아날로그 회로를 사용하여 미분 방정식을 푸는 컴파일러가 개발되었다.[39]
2021년, 독일 회사 anabrid GmbH는 교육 및 과학적 용도로 사용되는 소형 아날로그 컴퓨터인 THE ANALOG THING (THAT)의 생산을 시작했다.[41]
미국 방위고등연구계획국(DARPA)은 제한된 배터리 용량으로 인해 전력 소모량이 적은 아날로그 컴퓨터에 기대를 걸고 UPSIDE라는 프로젝트에 투자했다.
9. 결론
아날로그 컴퓨터는 특정 용도에 맞춰진 전용 계산기가 많지만, 연립방정식이나 미분방정식으로 모델링된 대상을 계산하는 등 어느 정도 범용성을 가진 것도 있었다. 입력과 출력에 아날로그적인 물리량을 사용하는 것이 특징이며, 이것이 아날로그 컴퓨터의 정의라고 할 수 있다. 그러나 처치-튜링 명제 관점에서 "계산 가능"한 모든 계산을 수행할 수 있는 "만능(universal)인 컴퓨터"는 아니다. 그 원리상 취급하는 수치의 정밀도와 분해능은 기계적, 물리적인 다이내믹 레인지의 영향을 받는다.[43]
디지털 컴퓨터가 물리량을 이산적으로 취급하여 대수학적으로 계산하는 반면, 아날로그 컴퓨터는 '''물리량을 연속량으로 연산을 수행한다'''는 차이가 있다. 예를 들어 계산자는 길이를 연속량으로 취급하여 아날로그적이지만, 주판은 주판알을 세어서 계산하므로 디지털이다.[44] 디지털 계산기에 대해서는 기계식 계산기 및 컴퓨터 항목을 참조하면 된다.
전자식 아날로그 컴퓨터 중 "연산 함수형" 등으로 분류되는 것은 범용 "미분방정식 해석 표시 장치"라고 불렸다. 이것은 진공관식 연산 증폭기로 양산되어 연구 및 교육 기관에 널리 보급되었다. 물리 현상을 방정식으로 표현하고 그 물리량을 전압에 대응시켜 입력하며, 연산 결과를 출력하여 비선형 함수도 구현할 수 있었다. 따라서 자동차 설계 등 실제 제품의 운동 방정식이나 전기 회로의 과도 현상 해석에 중요하게 사용되었고, 범용 상품으로 양산되어 실용화되었다. 일각에서는 이러한 대량 보급을 통해 아날로그 컴퓨터의 개념이 정립되었고, 소급하여 '계산자는 아날로그 계산기'라는 분류가 가능하게 되었다고 주장하기도 한다.
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가까운 예로 [[플래시 메모리]]는 기억 용량을 높이기 위해 전하라는 거의 연속적인 것을 구분해서 [[플래시 메모리#SLC와 MLC|여러 값]]을 가지고 있다. 연산 회로도 2진법에 한정되는 것은 아니지만, 구현상 2진법을 사용하는 것이 대부분이다.
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