지연선 기억기
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1. 개요
지연선 기억기는 제2차 세계 대전 중 레이더 클러터 제거를 위해 개발된 기술로, 신호를 지연시켜 정보를 저장하는 방식이다. 초기에는 수은을 매개체로 사용한 수은 지연선이 사용되었으며, 압전 변환기를 통해 신호를 음파로 변환하여 지연시킨 후 다시 전기 신호로 변환하는 방식으로 작동했다. 이러한 기술은 초기 컴퓨터의 메모리로 활용되었으며, EDSAC, UNIVAC I 등에서 주 기억 장치로 사용되었다. 이후 자기변형 지연선, 압전 지연선, 전기 지연선 등 다양한 형태의 지연선 기억기가 개발되었다.
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| 지연선 기억기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 컴퓨터 메모리 |
| 휘발성 | 휘발성 |
| 역사 | |
| 발명 | 1940년대 초 |
| 발명가 | 여러 연구 그룹 |
| 첫 번째 구현 | 에니악 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 음파를 사용하여 정보를 저장하고 검색함 |
| 매체 | 일반적으로 수은 또는 수정과 같은 매체를 사용함 |
| 정보 저장 | 매체를 통해 전파되는 음파의 존재 또는 부재로 정보를 나타냄 |
| 정보 검색 | 음파를 감지하고 다시 증폭하여 정보를 읽음 |
| 기술적 세부 사항 | |
| 클럭 속도 | 상대적으로 느림 |
| 메모리 용량 | 초기 시스템에서는 제한적이었음 |
| 액세스 시간 | 음파가 매체를 통과하는 데 걸리는 시간에 따라 달라짐 |
| 장점 | |
| 단순성 | 초기 컴퓨터 기술에서 구현하기 비교적 간단했음 |
| 비용 | 다른 형태의 메모리에 비해 저렴했음 |
| 단점 | |
| 휘발성 | 전원이 꺼지면 정보가 손실됨 |
| 속도 | 다른 형태의 메모리에 비해 느림 |
| 크기 | 부피가 큼 |
| 신뢰성 | 환경 조건에 민감함 |
| 사용 | |
| 초기 컴퓨터 | 에니악, 에드삭 등 |
| 계산기 | 초기 계산기 |
| 데이터 버퍼 | 데이터 전송 시스템 |
| 대안 | |
| 자기 코어 메모리 | 더 빠르고 신뢰성이 높음 |
| 반도체 메모리 | 더 작고 빠르며 에너지 효율적임 |
| 언어별 명칭 | |
| 한국어 | 지연선 기억기 |
| 일본어 | 遅延記憶装置 (지엔키오쿠소치) |
| 영어 | Delay-line memory |
2. 역사
지연선 메모리의 기본 개념은 제2차 세계 대전 당시 레이더 연구에서 비롯되었으며, 지면 및 기타 움직이지 않는 물체의 반사로 인한 클러터를 줄이기 위한 시스템으로 개발되었다.
이 개념을 기반으로 한 최초의 실용적인 클러터 제거 시스템은 펜실베이니아 대학교 무어 전기 공학 학교의 J. 프레스퍼 에커트에 의해 개발되었다. 그의 솔루션은 양쪽 끝에 압전 결정 변환기 (스피커와 마이크의 조합)가 있는 수은 기둥을 사용했다. 레이더 증폭기에서 나온 신호는 튜브 한쪽 끝에 변환기로 전송되어 수은에 작은 파동을 생성했다. 파동은 튜브 반대쪽 끝으로 빠르게 이동하여 다른 변환기에 의해 다시 읽히고 반전되어 디스플레이로 전송되었다. 사용된 레이더의 펄스 간 타이밍과 지연 시간을 일치시키기 위해 신중한 기계적 배열이 필요했다.
이러한 모든 시스템은 컴퓨터 메모리로 변환하는 데 적합했다. 핵심은 신호를 복원하고 재활용하여 지연을 통과한 후 사라지지 않도록 하는 것이었다. 이는 간단한 전자 장치로 비교적 쉽게 배열할 수 있었다.
2. 1. 레이더에서의 응용
레이더는 안테나, 송신기, 수신기, 디스플레이로 구성된다.[2] 송신기에서 생성된 짧은 무선 에너지 펄스는 안테나를 통해 전송된 후, 안테나는 수신기에 연결되어 반사된 신호를 증폭하고 디스플레이로 보낸다. 레이더에서 멀리 떨어진 물체는 가까운 물체보다 늦게 신호를 반환하며, 이는 디스플레이에 "블립"으로 표시되어 거리를 측정할 수 있게 한다.안테나에서 고정된 거리에 있는 움직이지 않는 물체는 항상 동일한 지연 시간 후에 신호를 반환하여 디스플레이에 고정된 지점으로 나타나 다른 표적 감지를 어렵게 만든다.[2] 초기 레이더는 클러터를 피하기 위해 빔을 지면에서 멀리 향하게 했지만, 이는 신중한 조준이 필요했고 소형 이동식 레이더에서는 어려웠으며, 지형 반사 등의 문제를 해결하지 못했다.[2]
정적인 물체를 걸러내기 위해 두 개의 펄스를 비교하여 동일한 지연 시간을 가진 반환값을 제거하는 방식이 사용되었다. 수신기에서 디스플레이로 가는 신호를 둘로 나누어 하나는 직접, 다른 하나는 지연 장치로 보냈다. 지연 시간은 펄스 반복 주파수의 배수로 조정되어, 이전 펄스의 지연된 신호가 새로운 펄스의 신호와 동시에 출력되도록 했다. 지연된 신호는 반전되어 두 신호가 결합, 디스플레이로 전송되었다. 동일 위치의 신호는 반전된 신호에 의해 무효화되어 움직이는 물체만 남게 된다.
이러한 목적을 위해 정보가 매체에 음향적으로 저장되는 다양한 지연 시스템이 개발되었다.[2] MIT는 유리, 석영, 강철, 납 등을 실험했고, 일본은 유리 분말 코팅이 있는 석영 소자를 사용했다.[2] 미국 해군 연구소는 헬릭스로 감싼 강철 막대를, Raytheon은 마그네슘 합금을 사용했다.[2]
최초의 실용적인 클러터 제거 시스템은 펜실베이니아 대학교 무어 전기 공학 학교의 J. 프레스퍼 에커트가 개발했다. 그의 솔루션은 양 끝에 압전 결정 변환기가 있는 수은 기둥을 사용했다. 신호는 튜브 한쪽 끝의 변환기로 전송되어 수은에 파동을 생성하고, 반대쪽 끝에서 다시 읽혀 반전 후 디스플레이로 전송되었다.
2. 2. 초기 컴퓨터에서의 활용
전쟁 후, 존 프레스퍼 에커트는 컴퓨터 개발에 주력했으며, 레이더 지연선 연구 경험을 바탕으로 메모리 장치 문제에서 다른 연구자들보다 유리한 위치에 있었다.[3] 컴퓨터 응용에서 지연선은 데이터가 준비될 때 펄스가 수신기에 도달하도록 타이밍을 맞춰야 했고, 클럭 신호와 비교하여 펄스를 세어 특정 비트를 찾았다.수은은 압전 효과를 가진 석영 결정의 음향 임피던스와 유사하여 신호 손실과 반향을 최소화했다. 수은의 높은 음속(1450 m/s)은 펄스 전달 시간을 단축했지만, 저장 가능한 펄스 수는 제한했다. 수은은 무게, 비용, 독성 등의 단점이 있었고, 음향 임피던스를 맞추기 위해 온도를 40°C로 일정하게 유지해야 했다.[3] 앨런 튜링은 초음파 지연 매체로 진을 사용할 것을 제안하기도 했다.[3]
튜브 내부의 깨끗한 신호를 위해 정밀한 엔지니어링이 필요했다. 좁은 음파를 생성하고 반사를 제거하기 위해 큰 변환기를 사용했고, 변환기 정렬과 온도 유지가 중요했다. 다른 시스템은 주변 온도에 따라 클럭 속도를 조정하여 동일한 효과를 얻었다.
EDSAC은 512 워드 메모리를 갖춘 프로그램 내장 방식 디지털 컴퓨터였고,[4] UNIVAC I은 1000 워드 저장을 위해 7개의 대형 메모리 장치를 사용했으며, 평균 접근 시간은 약 222 마이크로초였다. CSIRAC 역시 지연선 메모리를 사용했다. 수은 지연선 메모리 장치는 가청 소리를 생성하여 "mumble-tub"라는 속어를 낳았다.
지연선 기억 장치는 초기 컴퓨터에서 주 기억 장치로 사용되었으며, 그중 하나가 '''수은 지연선'''이다. 존 프레스퍼 에커트는 ENIAC에서 디지털 계산기를 위한 기억 장치로 수은 지연선을 사용했다. 수은 속의 초음파를 이용하며, "지연 '''선'''"이라는 용어 대신 '''수은 지연관'''이라고도 불린다.[9]
수은 지연선은 관 양쪽에 압전 소자를 부착, 한쪽 소자에 신호를 입력하면 압전 효과로 진동이 발생하여 초음파가 생성된다. 초음파는 수은을 통해 반대쪽 압전 소자를 진동시키고, 진동된 압전 소자는 압전 효과로 전압을 유기하여 입력 신호와 유사한 파형을 얻는다. 이를 증폭하여 입력 측으로 되돌리면 신호가 순환하여 기억 장치로 사용된다.
EDSAC, EDVAC, UNIVAC I과 일본 최초의 전자식 컴퓨터인 FUJIC에 수은 지연선이 사용되었다.
3. 작동 원리
3. 1. 수은 지연선
수은 지연선은 존 프레스퍼 에커트에 의해 고안되었으며, 초기 컴퓨터의 주 기억 장치로 사용되었다. 수은 속의 초음파를 이용하며, 영어로는 'delay line memory'라고 불리지만, 'delay tube'라고 불리기도 한다.[9]
수은 지연선은 수은이 채워진 관 양쪽에 압전 소자를 부착한 구조이다. 한쪽 소자에 전기 신호를 입력하면 압전 효과(역압전 효과)에 의한 진동으로 초음파가 발생한다. 초음파는 수은을 통해 전달되어 반대쪽 압전 소자를 진동시키고, 진동된 압전 소자는 다시 압전 효과에 의해 전압을 유기하여 입력 신호와 유사한 파형의 신호를 얻을 수 있다. 이를 증폭하여 다시 입력 측으로 되돌리면 신호가 순환하여 기억 장치로 사용된다.[4]
수은은 압전 효과를 가진 석영 결정의 음향 임피던스와 유사하여 신호 손실과 반향을 최소화한다.[3] 수은의 높은 음속(1450 m/s)은 펄스 전달 시간을 단축시키지만, 저장할 수 있는 펄스 수가 제한적이라는 단점이 있다. 수은의 독성, 무게, 비용, 온도 유지의 어려움 등은 기술적인 문제점으로 지적되었다. 앨런 튜링은 초음파 지연 매체로 진을 사용할 것을 제안하기도 했다.[3]
튜브 내부의 깨끗한 신호를 유지하기 위해 상당한 기술적 노력이 필요했다. 큰 변환기를 사용하여 좁은 음파를 생성하고, 튜브 반대쪽 끝에서 반사를 제거하는 데 주의를 기울였다. 음속은 온도에 따라 변하므로, 튜브는 정밀한 온도를 유지하기 위해 큰 오븐에서 가열하거나, 주변 온도에 따라 컴퓨터 클럭 속도를 조정했다.
EDSAC은 256개의 35-비트 워드 메모리로 작동을 시작했으며, 16개의 지연선에 저장되었다(각 560 비트를 저장).[4] UNIVAC I에서는 각 기둥이 120 비트를 저장했으며, 1000-워드 저장을 위해 7개의 대형 메모리 장치가 필요했다. 평균 접근 시간은 약 222 마이크로초였다. CSIRAC 역시 지연선 메모리를 사용했다.
일부 수은 지연선 메모리 장치는 인간의 목소리가 중얼거리는 것과 유사한 가청 소리를 생성하여 [http://www.rfcafe.com/references/popular-electronics/electronic-mind-remembers-popular-electronics-august-1956.htm "mumble-tub"]라는 속어 용어가 생겨났다.
3. 2. 자기변형 지연선
자기변형 지연선은 강철 와이어를 저장 매체로 사용하며, 자기변형 효과를 이용하는 변환기를 통해 전기 신호를 비틀림 파동으로 변환한다. 일반적으로 니켈과 같은 자기변형 재료를 와이어 양 끝에 전자기석 내부에 부착하고, 컴퓨터에서 비트가 자석에 들어가면 니켈은 극성에 따라 수축하거나 팽창하여 와이어 끝을 비틀어 비틀림 파동을 발생시킨다.
비틀림 파동은 기계적 결함에 강하여 와이어를 느슨하게 감아 보드에 고정할 수 있어, 저장 밀도를 높일 수 있었다. 코일로 감을 수 있는 능력 덕분에 와이어 기반 시스템은 필요에 따라 길이를 조절할 수 있었고, 단위당 훨씬 더 많은 데이터를 저장하는 경향이 있었다. 1 kbit 단위는 단 1 평방 피트() 크기의 보드에서 일반적이었다. 접근 시간은 일반적으로 500 마이크로초 정도였다.
지연선 메모리는 플립플롭보다 비트당 비용이 훨씬 저렴하고 신뢰성이 높았으며, 진공관으로 만들어졌고, 래칭 릴레이보다 훨씬 빨랐다. 1960년대 후반까지 사용되었으며, 특히 LEO I, 하이게이트 우드 전화 교환소, 다양한 페란티 기계, 그리고 IBM 2848 디스플레이 제어와 같은 상업용 기기에서 사용되었다.[10] 또한 초기 터미널의 비디오 메모리, Friden EC-130(1964) 및 EC-132, 1965년에 출시된 올리베티 Programma 101, 1967년의 리턴 Monroe Epic 2000 및 3000 프로그래밍 가능 계산기를 포함한 초기 데스크탑 전자 계산기의 여러 모델에서 매우 성공적으로 사용되었다.[13][14]
3. 3. 압전 지연선
자기 변형 시스템과 유사한 솔루션으로, 석영과 같은 압전 물질로 만들어진 지연선을 사용하는 방법이 있었다. 결정의 한쪽 끝에 전류를 가하면 압축파가 발생하여 다른 쪽 끝으로 전달되어 읽을 수 있었다. 압전 물질은 기존 수은 지연선의 수은과 변환기 역할을 모두 수행하는 단일 장치로 대체되었다. 그러나 이러한 방식은 필요한 품질의 결정을 큰 크기로 성장시키기 어려워 저장 용량이 제한적이었다.[5]PAL 컬러 방송 표준에서는 이미지의 두 연속적인 라인의 신호를 비교하여 위상 변화로 인한 색상 변화를 방지한다. 이때, 각 라인의 지속 시간(64 μs) 동안 신호를 지연시키는 압전 지연 장치가 사용된다.[6] 이 지연 장치는 신호를 결정을 통해 여러 번 반사시켜 필요한 지연 시간을 생성하며, 결정 크기를 줄여 작고 직사각형 모양으로 만든다.
수은 외에도 유리,[10] 자성체(금속) 와이어를 사용한 자기 왜곡 지연선,[11][12] 동축 케이블 내 고주파 신호 지연을 이용하는 전자기 지연선 등이 기억 장치로 사용되었다. 고체 지연선이나 전자기 지연선은 컬러 텔레비전 등에 대량 생산된 전기 부품으로, 필터 부품으로도 사용되었다.
4. 전기 지연선
전기 지연선은 짧은 지연 시간(나노초에서 수 마이크로초)을 얻기 위해 사용된다.[7] 긴 전선으로 구성되거나, 일련으로 배열된 개별 인덕터와 커패시터로 만들어진다.[7] 선의 전체 길이를 줄이기 위해 금속 튜브에 감을 수 있으며, 접지에 대한 더 많은 정전 용량과, 서로 가깝게 놓여있는 전선 권선으로 인해 더 많은 인덕턴스를 얻을 수 있다.[7]
예시는 다음과 같다.
- 고주파 회로 또는 안테나에서 위상 매칭을 위한 짧은 동축 또는 마이크로스트립 라인[7]
- 마그네트론 및 클라이스트론의 속이 빈 공진기 라인, 진행파관의 헬리컬로, 전자의 속도를 전자기파의 속도에 맞추기 위해[7]
- 자유 전자 레이저의 언듈레이터[7]
집적 회로 저장 장치에 지연선을 구현하여 지연 시간을 생성하는 방법도 있다. 이는 디지털 방식 또는 이산 시간 아날로그 방식으로 수행할 수 있다. 아날로그 방식은 저장된 전하를 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 단계별로 전송하는 전하 전달 장치(버킷 브리지 장치 또는 전하 결합 소자)를 사용한다. 디지털 및 아날로그 방식 모두 수송 단계를 결정하는 클럭 주파수의 절반으로 상단에서 대역폭이 제한된다.
기가헤르츠 속도로 작동하는 현대 컴퓨터에서, 병렬 데이터 버스의 도체 길이의 밀리미터 차이는 데이터 비트 왜곡을 일으켜 데이터 손상 또는 처리 성능 저하로 이어질 수 있다. 이는 지그재그 패턴의 배선을 사용하여, 짧은 이동 거리에 대한 도착 시간을 지연시켜, 모든 도체 경로의 길이를 비슷하게 만듦으로써 해결된다.
5. 광학 지연선
광학 컴퓨팅 분야에서 광학 지연선은 음향 또는 전기 지연선과 유사하게 사용될 수 있다.[8] 광섬유 등을 이용하여 빛의 경로를 늘려 지연을 발생시키는 원리이다.
6. 한계 및 의의
7. 같이 보기
참조
[1]
특허
US patent 2629827
US Patent Office
[2]
논문
A Survey of Digital Computer Memory Systems
1953-10
[3]
학술지
Computers Then and Now
1968-01
[4]
잡지
An Ultrasonic Memory Unit for the EDSAC
http://www.cs.man.ac[...]
1948-07
[5]
서적
Glass Memories
https://archive.org/[...]
Corning Electronics
1963
[6]
학위논문
Ultrasonic delay lines for the PAL colour-television system
https://pure.tue.nl/[...]
Technische Universiteit
1968
[7]
웹사이트
RETICON: Product Summary: Discrete Time Analog Signal Processing Devices
https://www.synfo.nl[...]
2023-09-07
[8]
학술지
An All-Optical General-Purpose CPU and Optical Computer Architecture
'2024'
[9]
서적
ウィルクス自伝
[10]
웹사이트
情報処理学会コンピュータ博物館
http://museum.ipsj.o[...]
[11]
서적
脳をつくる
[12]
서적
コンピュータ クロニクル
[13]
웹사이트
Olympia Model CD-400 Desk Calculator
http://www.johnwolff[...]
2021-09-11
[14]
웹사이트
OLYMPIA: CD400
http://www.calcuseum[...]
2021-09-11
[15]
서적
日本のコンピュータの歴史
[16]
서적
ACMチューリング賞講演集
[17]
서적
日本のコンピュータの歴史
'1985'
[18]
웹사이트
https://www.nhk.or.j[...]
[19]
특허
US patent 2629827
US Patent Office
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