013 레이저
레이저(LASER)는 "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"의 머리글자에서 비롯된 용어로, 유도방출을 이용해 단색성, 지향성, 결맞음성이 매우 높은 빛을 발생시키는 장치이다. 1960년 시어도어 메이먼(Theodore Maiman)이 루비를 이득 매질로 사용한 최초의 가시광 레이저를 시연하였다.
구성 요소
레이저는 세 가지 핵심 요소로 구성된다. 첫째는 이득 매질(gain medium)로, 광 또는 전기에너지를 흡수하여 들뜬상태의 원자·분자 분포를 만든다. 둘째는 광공동(optical cavity)으로, 두 개의 거울이 마주 본 형태로 광자가 이득 매질을 여러 번 왕복하도록 한다. 셋째는 펌핑(pumping) 기구로, 외부 에너지를 공급해 반전 분포(population inversion)를 유지한다.
유도방출
들뜬 원자가 외부 광자의 자극으로 같은 위상·방향·파장의 광자를 방출하는 과정이 유도방출이다. 반전 분포가 형성되면 유도방출이 자발방출을 압도하고, 광공동 내에서 빛이 증폭된다. 한 거울의 일부 투과를 통해 빠져나온 빛이 레이저 빔이며, 그 결맞음 시간과 단색성은 자연광이나 LED 광원과 비교할 수 없을 정도로 우수하다.
응용
통신용 광섬유의 신호원, 광디스크 읽기, 바코드 스캐너, 정밀 가공, 의료 시술, 간섭계와 분광, 광원자시계, 중력파 검출(LIGO)까지 응용 범위가 광범위하다. 고출력 펄스 레이저는 매우 짧은 시간 안에 극단적으로 큰 첨두 출력을 만들어 강한 빛-물질 상호작용 연구에 사용된다.
014 렌즈
렌즈(lens)는 굴절을 이용하여 빛의 진행 방향을 제어하는 광학 소자이다. 볼록 렌즈는 평행하게 입사한 빛을 한 점(초점)에 모으고, 오목 렌즈는 한 점에서 발산하는 것처럼 만든다.
얇은 렌즈 공식
두께를 무시할 수 있는 이상적인 얇은 렌즈에 대해 다음의 공식이 성립한다.
1/s + 1/s' = 1/f
여기서 s는 물체 거리, s'는 상 거리, f는 초점 거리이다.
부호 규약은 광학 좌표계에 따라 다르므로,
문제를 풀 때는 어느 방향을 양으로 정의하는지를 먼저 명시해야 한다.
횡배율은 m = −s'/s로 주어지며, 음의 값은 상이 거꾸로 맺힌다는 의미이다.
수차
실제 렌즈는 이상적인 점상을 만들지 못하며, 다양한 수차(aberration)를 동반한다. 구면수차는 광축에서 먼 광선이 가까운 광선과 다른 위치에 모이는 현상이며, 색수차는 굴절률의 파장 의존성으로 인해 색별로 초점이 달라지는 현상이다. 비구면 렌즈, 다중 렌즈 조합, 색수차 보정 더블릿(achromatic doublet) 등의 설계가 이러한 수차를 줄이기 위해 사용된다.
회절 한계
렌즈가 만들 수 있는 가장 작은 초점 크기는 빛의 회절에 의해 근본적으로 제한된다.
지름 D의 원형 조리개를 통과한 파장 λ의 빛은
에어리 디스크라 불리는 패턴을 만들며, 그 첫 번째 어두운 고리의 각반지름은 약
1.22 λ/D 라디안이다. 천체 망원경과 현미경의 분해능 상한이 여기에서 정해진다.
015 로직 게이트
로직 게이트(logic gate)는 한 개 이상의 이진 입력으로부터 하나의 이진 출력을 결정하는 디지털 회로의 기본 단위이다. 입출력은 보통 전압의 두 수준(흔히 0과 1, 혹은 L과 H)으로 표현된다.
기본 게이트
다음 일곱 가지 게이트가 거의 모든 디지털 회로의 구성 요소가 된다.
- AND: 모든 입력이 1일 때만 출력 1
- OR: 입력 중 하나라도 1이면 출력 1
- NOT: 입력을 반전
- NAND: AND의 출력을 반전 — 단독으로 모든 부울 함수 구현 가능
- NOR: OR의 출력을 반전 — 단독으로 모든 부울 함수 구현 가능
- XOR: 입력이 서로 다를 때만 출력 1
- XNOR: 입력이 같을 때만 출력 1
물리적 구현
오늘날 로직 게이트는 주로 CMOS(Complementary MOS) 기술로 구현된다. n채널과 p채널 MOSFET을 상보적으로 배치하여 정상 상태에서 누설 전류가 매우 낮고, 스위칭 시에만 전력이 소모되는 구조이다. 하나의 트랜지스터는 0.5V 부근의 임계전압을 경계로 차단/도통이 결정되며, 이 비선형성이 디지털 신호의 잡음 면역성을 제공한다.
조합 논리와 순차 논리
게이트만으로 출력이 입력에 의해 즉시 결정되는 조합 논리(combinational logic)와, 피드백 경로와 클럭에 의해 상태를 기억하는 순차 논리(sequential logic)가 구분된다. 플립플롭과 레지스터는 순차 논리의 기본 구성 요소이며, 모든 현대 프로세서는 이 두 종류 논리의 매우 큰 조합으로 동작한다.
016 RAM (랜덤 액세스 메모리)
RAM(Random-Access Memory)은 임의의 주소에 거의 일정한 시간으로 접근할 수 있는 휘발성 메모리이다. 프로세서가 실행 중인 프로그램과 데이터를 일시적으로 보관하는 데 사용된다. 전원이 꺼지면 내용이 사라지므로, 영구 저장을 위해서는 보조기억장치가 별도로 필요하다.
DRAM과 SRAM
RAM은 크게 두 종류로 나뉜다.
- DRAM (Dynamic RAM)
- 한 비트를 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터에 저장한다. 집적도가 매우 높지만 커패시터의 전하가 누설되므로 주기적인 갱신(refresh)이 필요하다. 컴퓨터의 주기억장치(main memory)는 대부분 DRAM이다.
- SRAM (Static RAM)
- 한 비트를 6개의 트랜지스터로 구성된 플립플롭에 저장한다. 갱신이 필요 없고 접근 속도가 빠르지만 비트당 면적이 크므로, 프로세서 캐시처럼 속도가 중요한 작은 메모리에 주로 사용된다.
접근 시간과 대역폭
DRAM의 접근 시간은 수 나노초~수십 나노초 수준이며, SRAM은 1 ns 이하의 접근 시간을 달성할 수 있다. 실제 시스템 성능은 단일 접근의 지연시간뿐 아니라 단위 시간당 전송량(대역폭)에도 의존한다. DDR5 같은 현대 메모리 표준은 한 클럭당 여러 데이터를 전송하고, 다중 채널을 사용하여 총 대역폭을 수십 GB/s 수준으로 끌어올린다.
메모리 계층
프로세서 레지스터 → L1/L2/L3 캐시 → 주메모리(DRAM) → SSD/HDD로 이어지는 메모리 계층은 크기와 속도, 비용 사이의 절충에서 비롯된다. 한 계층 위로 갈수록 빠르고 작으며 비트당 비용이 비싸다. 지역성의 원칙(locality of reference) — 최근에 접근한 데이터가 다시 접근될 가능성이 높다는 경험칙 — 이 캐시 설계의 정당성을 제공하며, 평균 접근 시간은 캐시 적중률에 의해 좌우된다.