디지털 신호

디지털 논리회로 (Digital Logic Circuit)

컴퓨터의 핵심은 중앙 처리 장치(CPU)이며, 이 CPU는 디지털 논리 회로(Digital Logic Circuit)로 구성됩니다. 디지털 논리 회로는 0과 1(이진수)을 기반으로 동작하며, 논리 연산을 수행하는 전자 회로입니다.

1. 아날로그와 디지털 신호

컴퓨터가 이해할 수 있는 신호는 디지털 신호입니다. 현실 세계의 데이터를 디지털 신호로 변환해야 컴퓨터가 처리할 수 있습니다.

• 아날로그 신호: 연속적인 값으로 이루어진 신호 (예: 온도, 음성, 전압)
• 디지털 신호: 이산적인(불연속적인) 값으로 이루어진 신호 (예: 컴퓨터에서 사용하는 0과 1)

디지털 변환 과정

아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정은 다음과 같습니다.

1. 표본화(Sampling): 일정한 주기로 신호를 샘플링하여 수치화
2. 양자화(Quantization): 샘플링된 값을 일정한 수준으로 변환
3. 부호화(Encoding): 양자화된 값을 2진수 형태로 변환 (예: RGB 색상 표현은 8bit씩 3개, 총 24bit)

2. 디지털 시스템의 특징

장점

✅ 잡음에 강함: 이진수(0과 1)를 사용하여 신호 간섭이 적음
✅ 설계가 용이함: 논리 회로를 조합하여 다양한 시스템 구현 가능
✅ 크기와 비용 감소: 반도체 기술 발전으로 집적도가 증가하며 가격이 하락

한계

❌ 양자화 오차 발생: 연속적인 아날로그 신호를 이산적인 디지털 신호로 변환할 때 정밀도 한계 존재
❌ 메모리 한계: 저장 장치 및 플립플롭의 크기가 제한됨

3. 디지털 정보의 표현

십진수(Decimal Digit) 표현

 MSD: Most Significant Digit, LSD: Least Significant Digit)

이진수(Binary Digit) 표현

컴퓨터는 이진수(bit, binary digit)를 사용하며, n비트는0 ~ $ 2^{n} $ 까지 표현 가능합니다.

 

단위크기

1KB	1024B
1MB	1024KB
1GB	1024MB
1TB	1024GB
1PB	1024TB
1EB	1024PB
1ZB	1024EB
1YB	1024ZB

논리 게이트 (Logic Gate)

디지털 논리 회로에서 기본적인 연산은 논리 게이트를 통해 수행됩니다.

• 기본 논리 게이트: AND, OR, NOT

논리 회로 (Logic Circuit)

0(열림), 1(닫힘), L=램프 빛 켜짐

스위치가 닫히면(A=1), 전류가 스위치를 통해 바로 흐름으로 램프 쪽으로 전류가 가지 않아 꺼짐.

4. 디지털 IC

디지털 IC 칩은 실리콘 웨이퍼 위에 집적되며, 트랜지스터(Transistor)를 이용해 논리 게이트를 구성합니다.

 

 

• 원형 웨이퍼는 가공 중 내부 응력이 균일하게 분포해서 기계적으로 강하고, 크랙이 덜 발생.
• 둥근 형태 덕분에 화학적인 식각(etching)이나 코팅 공정을 할 때 균일한 박막 형성이 가능.
• 회전하면서 박막을 코팅할 때 원형이 더 고르게 코팅되기 때문에 제조 품질이 향상.

IC(집적 회로) 분류

분류	집적된 트랜지스터 개수
SSI (Small Scale IC)	수십 개
MSI (Medium Scale IC)	수백 개
LSI (Large Scale IC)	수천 개
VLSI (Very Large Scale IC)	수만~수십만 개
ULSI (Ultra Large Scale IC)	수백만 개 이상

무어의 법칙(Moore's Law)

반도체 기술 발전에 따라 18~24개월마다 트랜지스터 개수가 2배 증가한다는 법칙이 있습니다. 하지만 현재 반도체의 물리적 한계로 인해 이 속도가 점점 둔화되고 있습니다.