하이브리드 컴퓨터
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1. 개요
하이브리드 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터와 디지털 컴퓨터의 장점을 결합한 컴퓨터 시스템이다. 1961년 최초의 데스크톱 하이브리드 컴퓨터가 등장했으며, 아날로그 컴퓨터의 빠른 연산 속도와 디지털 컴퓨터의 정밀도를 활용하여 복잡한 문제를 해결하는 데 사용되었다. 하이브리드 컴퓨터는 아날로그 프론트 엔드로 초기 값을 얻고, 디지털 컴퓨터에서 반복 계산을 수행하여 최종 결과를 얻는 방식으로 작동한다. 신경계 또한 하이브리드 컴퓨터의 한 형태로 간주된다. 최근에는 VLSI 기술을 활용한 소형 하이브리드 컴퓨터 칩 개발 연구가 진행되고 있다.
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| 하이브리드 컴퓨터 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 아날로그 컴퓨터와 디지털 컴퓨터의 결합 |
| 사용 분야 | 산업 과학 공학 |
| 구조 및 기능 | |
| 특징 | 아날로그 구성 요소: 미분 방정식과 같은 수학적 문제를 실시간으로 해결하는 데 사용 디지털 구성 요소: 논리 연산, 데이터 저장, 결과 제어 및 최적화에 사용 |
| 장점 | 복잡한 시스템의 실시간 시뮬레이션 가능 높은 계산 효율성 정밀도 향상 |
| 단점 | 설계 및 구현의 복잡성 높은 비용 유지 보수의 어려움 |
| 활용 예시 | |
| 예시 | 미사일 유도 시스템 항공기 시뮬레이터 산업 공정 제어 시스템 |
| 미래 전망 | |
| 동향 | 고성능 디지털 컴퓨터의 발전으로 인해 사용 빈도가 감소하고 있지만, 특정 분야에서는 여전히 중요한 역할 수행 |
2. 역사
하이브리드 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터와 디지털 컴퓨터의 장점을 결합한 형태이다. 아날로그 컴퓨터는 빠른 속도로 복잡한 방정식을 풀 수 있지만 정밀도가 낮고, 디지털 컴퓨터는 정밀도는 높지만 속도가 느리다는 단점이 있었다. 하이브리드 컴퓨터는 이러한 단점을 보완하기 위해 개발되었다.
아날로그 컴퓨터는 회로를 통해 신호가 빛의 속도에 가깝게 전달되므로 매우 빠르게 수학 방정식을 풀 수 있다. 반면 디지털 컴퓨터는 방정식을 거의 무제한의 정밀도로 풀 수 있지만, 아날로그 컴퓨터에 비해 속도가 느리다. 복잡한 방정식은 보통 반복법을 사용하여 근사값을 구하는데, 초기 추측값(수치적 "시드")의 정확도와 필요한 정밀도에 따라 반복 횟수가 크게 달라진다.
20세기에는 실시간 컴퓨팅이 필요한 작업(예: 고주파 위상 배열 레이더, 기상 계산)에서 디지털 컴퓨터의 속도는 충분하지 않았고, 아날로그 컴퓨터의 정밀도는 부족했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 하이브리드 컴퓨터가 등장했다.
하이브리드 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터를 사용하여 정확도가 높지만 정밀도가 낮은 '시드' 값을 얻고, 이 값을 디지털 컴퓨터에 입력하여 반복 처리함으로써 최종적으로 원하는 정밀도를 얻는 방식으로 작동한다. 이를 통해 디지털 계산 시간을 획기적으로 줄일 수 있었다. 하이브리드 컴퓨터 개발에서 중요한 기술적 과제는 디지털 컴퓨터의 노이즈를 최소화하여 아날로그 컴퓨팅 요소와 접지 시스템에 영향을 주지 않도록 하는 것이었다.
동물의 신경계도 일종의 하이브리드 컴퓨터로 볼 수 있다. 신경 세포 간의 신호 전달은 개별 화학 물질(디지털) 형태로 시냅스를 통해 이루어지며, 신경 세포 내에서는 전기화학적 전위(아날로그)가 합산되어 역치에 도달하면 디지털 신호가 다음 신경 세포로 전달된다. 이러한 방식은 시스템 내 노이즈를 최소화하고, 공통 접지 시스템이 필요 없으며, 신호 저하를 최소화하는 장점을 가진다.
하이브리드 컴퓨터는 하이브리드 시스템과는 다르다. 하이브리드 시스템은 아날로그 신호를 변환하여 일반적인 디지털 신호 처리에 사용하거나, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 물리적 제어 시스템(예: 서보 기구)을 구동하기 위해 아날로그-디지털 변환기나 디지털-아날로그 변환기를 갖춘 디지털 컴퓨터를 말한다.
2. 1. 초기 개발
최초의 데스크톱 하이브리드 컴퓨팅 시스템은 1961년 팩커드 벨(Packard Bell)에서 출시한 Hycomp 250이었다.[1] 1963년에는 EAI에서 HYDAC 2400이라는 통합 하이브리드 컴퓨터를 출시했다.[2] 1980년대에는 페기 호지스가 이끄는 마르코니 우주 및 방위 시스템(Marconi Space and Defense Systems Limited)에서 "Starglow Hybrid Computer"를 개발했는데, 이 컴퓨터는 세 대의 EAI 8812 아날로그 컴퓨터를 EAI 8100 디지털 컴퓨터에 연결하고, 다시 SEL 3200 디지털 컴퓨터에 연결하는 방식으로 작동했다.[3] 20세기 후반, 디지털 신호 프로세서를 포함한 디지털 컴퓨터의 기능이 향상되면서 하이브리드 컴퓨터의 사용은 점차 줄어들었다.[4]2. 2. 발전과 응용
1980년대, 페기 호지스(Peggy Hodges)가 이끄는 마르코니 우주 및 방위 시스템(Marconi Space and Defense Systems Limited)은 "Starglow Hybrid Computer"를 개발했다. 이 컴퓨터는 세 대의 EAI 8812 아날로그 컴퓨터를 EAI 8100 디지털 컴퓨터에 연결하고, 다시 SEL 3200 디지털 컴퓨터에 연결하는 방식으로 구성되었다.[3] 20세기 후반, 디지털 신호 프로세서를 포함한 디지털 컴퓨터의 기능 향상으로 하이브리드 컴퓨터 사용은 줄어드는 추세를 보였다.[4]2. 3. VLSI 하이브리드 컴퓨터 칩
2015년, 컬럼비아 대학교 연구진은 65nm CMOS 기술을 사용한 소규모 하이브리드 컴퓨터에 대한 논문을 발표했다.[5] 이 4차 VLSI 하이브리드 컴퓨터는 4개의 적분기 블록, 8개의 곱셈기/이득 설정 블록, 전류 모드 신호 분배를 위한 8개의 팬아웃 블록, 2개의 ADC, 2개의 DAC 및 2개의 SRAM 블록을 포함한다. 외부 명령을 실행하기 위한 디지털 컨트롤러도 칩에 구현되어 있다. 논문의 로봇 실험은 오늘날 부상하고 있는 저전력 임베디드 응용 분야에서 하이브리드 컴퓨팅 칩의 사용을 보여준다.3. 원리
아날로그 컴퓨터는 신호가 회로를 통과하는 속도, 즉 빛의 속도에 가까운 속도로 대부분의 복잡한 방정식을 해결할 수 있어 매우 빠르다.[1] 그러나 아날로그 컴퓨터의 정밀도는 좋지 않으며, 세 자리 또는 최대 네 자리로 제한된다. 반면 디지털 컴퓨터는 거의 무제한의 정밀도로 방정식을 풀 수 있지만, 아날로그 컴퓨터에 비해 상당히 느리다. 일반적으로 복잡한 수학 방정식은 반복법을 사용하여 근사화되며, 최종 값에 대한 초기 "추측"(수치적 "시드")이 얼마나 정확하고 얼마나 많은 정밀도가 필요한지에 따라 엄청난 수의 반복을 수행한다.[4]
하이브리드 컴퓨터는 이러한 아날로그 컴퓨터와 디지털 컴퓨터의 장점을 결합하여 작동한다. 아날로그 컴퓨터를 사용하여 매우 정확하지만 비교적 불정밀한 '시드' 값을 얻고, 이 시드 값을 디지털 컴퓨터 반복 프로세스에 공급하여 최종 원하는 정밀도를 얻는다. 세 자리 또는 네 자리의 매우 정확한 수치 시드를 사용하면 원하는 정밀도에 도달하는 데 필요한 총 디지털 계산 시간이 획기적으로 줄어든다.[4]
하이브리드 컴퓨터에서 극복해야 할 주요 기술적 문제 중 하나는 디지털 컴퓨터의 노이즈를 아날로그 컴퓨팅 요소 및 접지 시스템에서 최소화하는 것이다.[4]
동물의 신경계는 일종의 하이브리드 컴퓨터로 생각할 수 있다. 신호는 개별 (디지털) 화학 물질 패킷으로 한 신경 세포에서 다음 신경 세포로 시냅스를 통해 전달된 다음, 신경 세포 내에서 전기 화학적 전위를 구축하여 아날로그 방식으로 합산되어 역치에 도달하면 방전되어 일련의 디지털 패킷을 다음 신경 세포로 보낸다.
3. 1. 아날로그 컴퓨터의 역할
아날로그 컴퓨터는 신호가 회로를 통과하는 속도, 즉 빛의 속도에 가까운 속도로 대부분의 복잡한 방정식을 해결할 수 있어 매우 빠르다.[1] 그러나 아날로그 컴퓨터의 정밀도는 좋지 않으며, 세 자리 또는 최대 네 자리로 제한된다.[4]디지털 컴퓨터는 거의 무제한의 정밀도로 방정식을 풀 수 있지만, 아날로그 컴퓨터에 비해 상당히 느리다. 복잡한 수학 방정식은 일반적으로 반복법을 사용하여 근사화되며, 최종 값에 대한 초기 "추측"(수치적 "시드")이 얼마나 정확한지에 따라 많은 반복이 필요하다.
하이브리드 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터의 빠른 속도를 활용하여 초기 예측값을 생성한다. 이 예측값은 정밀도가 낮지만, 디지털 컴퓨터의 반복 프로세스에 입력되어 최종적으로 원하는 정밀도를 얻는 데 사용된다. 세 자리 또는 네 자리의 정확한 수치 시드를 사용하면 원하는 정밀도에 도달하는 데 필요한 총 디지털 계산 시간이 획기적으로 줄어든다.[4]
3. 2. 디지털 컴퓨터의 역할
디지털 컴퓨터는 거의 무제한의 정밀도로 방정식을 풀 수 있지만, 아날로그 컴퓨터에 비해 상당히 느리다.[4] 일반적으로 복잡한 수학 방정식은 최종 값에 대한 초기 "추측"(수치적 "시드"라고 함)이 얼마나 정확하고 얼마나 많은 정밀도가 필요한지에 따라 엄청난 수의 반복을 수행하는 반복법을 사용하여 근사화된다.[4] 20세기의 많은 실시간 작업(예: 매우 높은 주파수의 위상 배열 레이더 또는 기상 계산)의 경우, 이러한 디지털 계산은 너무 느렸지만, 아날로그 컴퓨터의 정밀도는 충분하지 않았다.[4]하이브리드 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터를 사용하여 매우 정확하지만 비교적 불정밀한 '시드' 값을 얻고, 이 값을 디지털 컴퓨터 반복 프로세스에 공급하여 최종적으로 원하는 정밀도를 얻는다.[4] 세 자리 또는 네 자리의 매우 정확한 수치 시드를 사용하면 원하는 정밀도에 도달하는 데 필요한 총 디지털 계산 시간이 획기적으로 줄어든다.[4]
3. 3. 신경계와의 유사성
동물의 신경계는 일종의 하이브리드 컴퓨터와 유사하게 작동한다. 신경 세포 간 시냅스를 통해 전달되는 신호는 화학적, 이산적(디지털) 패킷 형태이며, 신경 세포 내에서 아날로그 방식으로 합산된다. 이 전위가 임계값에 도달하면 다음 신경 세포로 신호가 전달된다. 이러한 방식은 몇 가지 이점을 가진다. 노이즈가 최소화되고 가산되지 않으며, 공통 접지 시스템이 필요 없고, 신호 경로상 신경 세포 활동 편차에 따른 신호 열화가 적다. 개별 신경 세포는 아날로그 컴퓨터처럼, 시냅스는 디지털 컴퓨터처럼 작동한다.[4]4. 구성 요소
(내용 없음)
5. 활용 분야
하이브리드 컴퓨터는 생명과학, 유전공학 등 다양한 분야에서 활용된다.
5. 1. 생명과학 분야
동물의 신경계는 일종의 하이브리드 컴퓨터로 볼 수 있다. 신경 세포에서 다른 신경 세포로 시냅스를 통해 보내지는 신호는 화학적인 이산(디지털) 패킷이며, 이를 신경 세포에서 아날로그적으로 축적하고, 전위가 임계값에 도달하면 다음 신경 세포에 신호가 전달된다. 이러한 방식은 몇 가지 이점을 가지는데, 우선 노이즈가 최소화되고 가산적이지 않다. 또한 전위의 0 레벨을 전체에서 공통으로 할 필요가 없다. 게다가 신호 경로상 각 신경 세포의 활동에 편차가 있어도 신호의 열화가 최소한으로 억제된다. 개별 신경 세포는 아날로그 컴퓨터처럼 작동하고, 시냅스는 디지털 컴퓨터처럼 작동한다.Convey사는 2012년 4월부터 HC-2라는 하이브리드 컴퓨터를 출시했다. 이 컴퓨터는 FPGA를 사용하며, PCI Express를 사용하여 PC에 연결한다. 사용하는 FPGA는 기본 모델은 Xilinx의 Vertex-5, ex 모델은 Vertex-6이다. 이 컴퓨터의 용도 중 30%는 유전자 매칭 등의 생물 정보학 분야라고 발표했다.
6. 최근 동향
Convey사는 2012년 4월부터 FPGA를 사용한 HC-2라는 하이브리드 컴퓨터를 출시했다. HC-2는 PCI Express를 사용하여 PC에 연결한다. 사용하는 FPGA는 기본 모델은 Xilinx의 Vertex-5, ex 모델은 Vertex-6이다. Convey사는 HC-2의 용도 중 30%가 생물 정보학 분야라고 발표했다.
7. 한계
전자식 아날로그 컴퓨터는 매우 빠른 속도로 복잡한 방정식을 풀 수 있었지만, 정밀도는 3~4자리 정도로 좋지 않았다. 디지털 컴퓨터는 메모리 용량이 허용하는 한 무제한의 정밀도로 방정식을 풀 수 있지만, 계산량에 비례하는 시간이 걸리고, 아날로그 컴퓨터에 비해 매우 느렸다. 복잡한 방정식을 풀기 위해 수치 해석 기법을 반복 적용해야 하는데, 초기 예측이 나쁘면 반복 횟수가 크게 늘어날 수 있다.
위상 배열 레이더와 같이 실시간성이 매우 중요한 응용에서는 디지털 회로의 계산 속도가 너무 느리고, 아날로그 회로는 노이즈로 인해 정밀도가 부족하다는 문제가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 아날로그 컴퓨터의 프런트 엔드를 사용하여 정밀도는 낮지만 성질이 좋은 예측값을 생성하고, 이를 디지털 컴퓨터에 입력하여 수치 해석을 수행함으로써 빠르게 필요한 유효 숫자의 해를 얻는 하이브리드 컴퓨터 방식이 사용되기도 한다.
동물의 신경계도 일종의 하이브리드 컴퓨터로 볼 수 있다. 신경 세포 간의 신호 전달은 화학적인 이산(디지털) 패킷 형태로 이루어지며, 신경 세포 내에서는 아날로그적으로 축적된다. 이러한 방식은 노이즈를 최소화하고, 신호 열화를 억제하는 장점이 있다.
참조
[1]
웹사이트
HYCOMP"250-THE FIRST DESK TOP HYBRlD ANALOG/Digital COMPUTING SYSTEM
http://archive.compu[...]
[2]
웹사이트
HYDAC 2400 Hybrid Digital/Analog Computer
http://archive.compu[...]
[3]
서적
AGARDograph No. 279 Survey of Missile Simulation and Flight Mechanics Facilities in NATO.
https://www.sto.nato[...]
NATO
[4]
서적
The Analogue Alternative
https://books.google[...]
[5]
서적
ESSCIRC Conference 2015 - 41st European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC)
2015-09-01
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