How Computers Work [01]

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전자기파의 개념 및 종류

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라디오, 전자파, 적외선, 가시광선, 적외선, x-ray, gamma-ray

어떻게 전자기파를 통해 정보가 전달될까?

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정보는 전자기파가 생성되는 빈도와 전자기파가 존재하는 시간을 통해 정보로서 전달된다.

analog & Digital

아날로그 온도계 - 온도계 내의 수은주 또는 알콜이 온도가 올라감에 따라 팽창
디지털 온도계 - 서미스터라고 불리는 전기 부품, 온도가 상승하면 서미스터의 전류 저항이 줄어든다. 전기량을 숫자로 적절하게 변환시켜주는 미니 프로세서를 통해 온도를 확인 할 수 있음.

analog-to-digital convertor (ADC).

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샘플링(sampling)이라고 도 함. Threshold를 기반으로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

single bit sampling

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multi bit sampling

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현실세계에서 얻을 수 있는 정보를 single bit sampling을 한다면 정보의 손실이 너무 많기 때문에, 영상, 소리, 빛의 양 등 많은 아날로그 정보들은 multi bit sampling 을 통해 Digital화 된다.

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트렌지스터

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트렌지스터: 모든 마이크로 칩이 구축되는 기본 빌딩 블록. 전류가 트랜지스터를 통과하면 트랜지스터는 1을 나타내거나 전류가 통과하지 않으면 0이 된다. 이러한 트렌지스터의 조합을 통해 bit 조합을 나타낼 수 있고, 컴퓨터를 포함한 모든 전자기기에서 사용되는 정보의 단위를 구성할 수 있다.

32bit 컴퓨터? 64bit 컴퓨터?

프로세서가 한 번에 처리할 수 있는 bit의 수를 말한다. 시스템 메모리와도 관련이 있음. 얘를 들어 32bit컴퓨터는 최대 가르킬 수 있는 메모리 주소가 32bit로 제한될 것이다. 32bit = 4 * 2^30 = 4GB. 따라서 32bit 컴퓨터 에서는 4GB이상의 메모리 칩을 사용해도 성능 향상이 없음.

어떻게 정보가 RAM(메인메모리)에 저장되는가?

메인메모리(RAM)에 electric pulse(bit stream)가 들어온다면 RAM의 각 메모리 위치에 있는 데이터 라인의 트렌지스터를 on/off = (close/open) = (1/0) 한다. 이렇게 메인메모리에 bit의 형태로 정보가 저장된다.

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위 그림의 예시를 보면 횡(horizontal)으로 지나가는 두 번째 address line이 활성화 되어 transistors 가 활성화(close) 된 것을 볼 수 있다. 종(vertical)으로 지나가는 두 번째와 여덟 번 째 data line에는 전류가 흐르는 상태(1)이기 때문에, 그 자리에 위치한 capacitor에 정보(1 or 0)가 저장된다.

어떻게 정보가 Flash Memory에 저장되는가?

  • Flash Memory

플래시 메모리는 메모리 칩 안에 정보를 유지시키는 데에 전력이 필요 없는 비휘발성 메모리이다. 게다가 플래시 메모리는 읽기 속도가 빠르며(단, 개인용 컴퓨터에서 메인메모리로 쓰이는 DRAM만큼 빠르지는 않고, 순차읽기속도는 하드디스크가 더 빠를 수 있음) 하드 디스크 보다 충격에 강하다. 이러한 특징으로 배터리로 동작하는 장치에서 저장 장치로 많이 사용한다. 플래시 메모리의 또 다른 장점은 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜 만큼, 물리적인 힘으로 거의 파괴되지 않는다는 점이다.
[나무위키, “플레시 메모리”, https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory]

Flash Memory in Details(optional)

하드웨어 및 반도체 개념 (optional)
  1. Flash memory is laid out along a grid of printed circuits running at right angles to each other. In one direction, the circuit traces are word addresses; circuits at a right angle to them represent the bit addresses. The two addresses combine to create a unique number address called a cell.

  2. Image The cell contains two transistors that together determine if an intersection represents a 0 or a 1. One transistor—the control gate—is linked to one of the passing circuits called the word line, which determines the word address.

  3. Image A thin layer of metal oxide separates the control gate from a second transistor, called the floating gate. When an electrical charge runs from the source to the drain, the charge extends through the floating gate, on through the metal oxide, and through the control gate to the word line.

  4. Image A bit sensor on the word line compares the strength of the charge in the control gate to the strength of the charge on the floating gate. If the control voltage is at least half of the floating gate charge, the gate is said to be open, and the cell represents a 1. Flash memory is sold with all cells open. Recording to it consists of changing the appropriate cells to zeros.

  5. Image Flash memory uses Fowler-Nordheim tunneling to change the value of the cell to a zero. In tunneling, a current from the bit line travels through the floating gate transistor, exiting through the source to a ground.

  6. Image Energy from the current causes electrons to boil off the floating gate and through the metal oxide, where the electrons lose too much energy to make it back through the oxide. They are trapped in the control gate, even when the current is turned off.

  7. Image The electrons have become a wall that repels any charge coming from the floating gate. The bit sensor detects the difference in charges on the two transistors, and because the charge on the control gate is below 50 percent of the floating gate charge, it is considered to stand for a zero.

  8. Image When it comes time to reuse the flash memory, a current is sent through in-circuit wiring to apply a strong electrical field to the entire chip, or to predetermined sections of the chip called blocks. The field energizes the electrons so they are once again evenly dispersed.

메모리 구조