모두 아날로그입니다

“모든 것이 아날로그야!”라고 강조하며 종종 테이블을 두드리곤 했습니다. 방 안에 있던 저를 아는 사람들은 계속 일을 했고, 저를 믿지 않는 사람들은 눈을 굴리기도 했지만, 가끔 새로운 직원이나 막 학교를 졸업한 사람이 주목하며 “디지털은 어떻게 되나요?”라고 물어보기도 했습니다.

시간은 1980년대 중반으로, 저는 커모도어 비즈니스 시스템즈에서 선임 설계 엔지니어로 일하고 있었고, 그것은 제 실수가 수백만 번 재생산된다는 것을 의미했습니다. 저는 대학에 다녀본 적이 없고, 면허를 가진 텔레비전 수리공으로 시작해 여러 엔지니어링 부서에서 일하며 스스로 올라왔습니다. 저를 자가 교육했다고 말하는 것은 정확하지 않았을 것입니다. 왜냐하면 저는 주변의 뛰어난 사람들로부터 배웠고, 실수에서도 배우려고 했으니까요. 실수가 제 것이든 그들의 것이든 말이죠.

"ECL 세대"를 건너뛰고 바로 "TTL 세대"로 넘어가면, 디지털적 의미에서 생각하는 유혹에 빠지게 되는데, 즉 신호를 "높음" 또는 "낮음", 또는 더 짧은 단어로 "1" 또는 "0"이라고 부르게 됩니다. 간단하죠? 물론, 지금 우리는 신호 무결성(SI)과 전력 분배 네트워크(PDN) 같은 용어를 알고 사용하지만, 당시에는 소비자 및 소규모 산업 장비에서 프로세서가 상대적으로 새로운 개념이었습니다.

갑자기 "디지털은 하지만 아날로그는 안 한다"고 말하는 새로운 세대의 엔지니어들이 생겨났습니다. 대부분의 경우, 그들이 말하는 것은 그라운드 루프, FCC 방출/감수성, 전원 공급 장치 설계, 심지어 리셋 회로도 그들의 안락한 영역 밖이라는 것을 알게 되었습니다. 개인적으로, 저는 이 일이 모든 것을 포괄하는 것이라고 보았고, 제 팀에 합류한 제대로 교육받은 엔지니어에게 가르친 첫 번째 것은 칩의 접합 온도를 어떻게 계산하는지였습니다.

한 가지 예를 들자면, 커모도어에 도착했을 때 C116/C264/Plus4가 될 제안된 리셋 회로는 누군가가 커패시터를 저항기에 연결하고 +5V 전원을 게이트의 입력에 연결한 회로로 구성되어 있었습니다. 이것은 절대 작동하지 않을 것이라고 선언하며 매우 목소리를 높였습니다. 학교 교육도 없는 긴 머리의 아이가 거기서 일한 첫 주에 이런 말을 하는 상황을 상상해 보세요. 적어도 아직 직장에서 신발을 벗기 시작하지는 않았습니다.

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그래서 그 엔지니어는, 알고 보니 그가 덜 스트레스 받는 환경으로 옮겨가는 중이었기 때문에 이임하는 엔지니어였습니다만, 인내심을 가지고 설명해 주었습니다. 회사의 창립자가 새 컴퓨터에 들어갈 수 있는 칩의 수에 제한을 두었으며, 그 숫자는 아홉이었다고 합니다. 저는 인내심을 가지고 그것이 중요하지 않으며 회로가 작동하지 않을 것이라고 설명했습니다. 커모도어의 대응은 새 컴퓨터 라인의 책임자로 저를 임명하는 것이었고, 이제 그 문제는 제 문제가 되었습니다. 저는 555 타이머 칩의 형태로 전용 리셋 회로를 추가했고, 창립자는 저를 해고하지 않았습니다. 결국 우리는 모든 수량, 낮은 것이든 높은 것이든 작동해야 했습니다.

최신의 격렬한 비판으로 건너뛰어보자; 나는 Commodore C128의 설계와 하드웨어를 담당했으며, 듀얼 프로세서 시스템(듀얼 그래픽 프로세서와 총 144mB의 DRAM 포함)을 2 레이어 보드에 올려놓고 수백만 대의 양산을 해내야 했는데, 그게 바로 1985년의 일이다. 문제의 핵심은 대부분의 설계자들이 95% 정도나 대부분의 전압이나 칩 조합에서 작동하는 것으로 만족할 수 있지만, 2%의 문제가 백만 번 발생하면 스키드와 폐기물 더미에 앉아 있는 기계가 엄청나게 많아진다는 것이다. 이러한 숫자들은 칩 브랜드와 변동성에 대한 민감성 문제와 모든 온도 및 전압 조합의 문제를 촉발시킬 수 있고, 실제로 그렇게 할 것이다.

나는 드라이버 칩의 출력이 .4V에 이를 수 있는데 반해, 칩이 보는 "낮음"이라고 불리는 것이 실제로는 .8V의 문턱 전압이라는 점을 누구에게나 강조하려고 노력했다. 이는 노이즈 여유분으로 겨우 .4V를 남기는 것이다. 우리는 OR 게이트가 "더 시끄럽다"고 농담하곤 했는데, 어느 입력에 .4V 이상의 스파이크가 발생하면 출력이 유효하지 않기 시작할 수 있기 때문이다.

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우리가 하고 있던 일의 어려움을 더하는 것은 소비자 부문에서 다층 보드를 사용할 생각을 전혀 하지 않았다는 사실입니다. 단 한 번도, 절대로 말이죠. 이는 오늘날의 기준으로 볼 때 우리의 전력 트레이스가 단지 더 큰 신호 트레이스에 불과했음을 의미하며, 전력 및 신호 트레이스의 임피던스는 레이아웃의 운에 따라 크게 달라졌습니다.

이는 나쁜 동작을 예측할 수 있는 실용적인 도구가 없던 시절이었습니다; 결과적으로 우리는 동작이 나쁠 것이라고 단순히 가정했습니다. 심지어 IC 설계자들도 칩이 회로도와 일치하는지 알려주는 도구가 없었으며, 칩을 제작하고 테스트해봐야만 최종적인 답을 얻을 수 있었습니다. 시스템에 대해서도 마찬가지였습니다. 우리는 그것들을 구축해야만 무엇을 가지고 있는지 알 수 있었습니다.

새로운 디자인을 시작할 때 저는 두 가지 원칙을 가지고 있었습니다. 첫 번째는 모든 전원과 접지를 그리드로 구성하는 것이었고, 모든 칩은 전원과 접지에 두 경로를 가져야 했으며, 이론적으로는 스터브가 없을 것이라는 의미였습니다. 두 번째는 정말로 시작점이었고, 그것은 당시 가장 까다로운 문제였던 DRAM을 배치하고 라우팅하는 것이었습니다. 모든 DRAM이 올바르게 제작된 것은 아니었고, 모든 전원 공급 장치가 그들의 허용 오차를 유지한 것도 아니었습니다(DRAM은 어떤 면에서 전압에 민감합니다), 그리고 타이밍을 생성하는 매우 중요한 칩들도 문제가 있었습니다. 우리의 한 가지 우위는 전원 PCB 레이아웃이 이러한 문제에 기여하지 않도록 하려고 노력하는 것이었습니다.

다음으로, 우리는 그래픽 칩을 구현할 것이며, 이에는 보드상에서 가장 높은 기본 주파수를 가진 마스터 클록이 포함되었습니다. 우리는 자동으로 이 디자인 부분을 감싸는 작은 쉴드를 설계했으며, 우리의 죄가 시작되었고 그 죄를 덮는 것도 시작되었습니다.

완료되었을 때, 우리는 오늘날의 기준으로 보면 일반적으로 엉망이었고, 다시 한번 우리의 시험은 몇 개나 몇 천 개를 생산할 수 있는지가 아니었습니다. 최소한 백만 개였고 일반적으로 우리는 500만 개 이상을 생산했습니다.

고점과 저점으로 돌아가 보면, 당시의 신호는 종처럼 울리거나, 여러 번의 반사나 길을 따라 잡아온 크로스토크와 함께 나타날 수 있었습니다. 보드에는 접지나 차폐, 분리를 위한 공간이 더 이상 없었고, 어떤 의미 있는 방식으로 "처음부터 다시 시작"할 시간도 더 이상 없었습니다. 이는 우리가 환경을 이해하고 적응해야 함을 의미했습니다. 안타깝게도, 그때 우리가 한 일은 그 혼란을 "조율"하여 제대로 작동하는 것처럼 보이게 만드는 것이었습니다. DRAM 제어 신호 전환과 같은 중요한 시간 동안만 안정되면, 우리는 아티팩트를 받아들였습니다.

우리가 했던 일 중 하나는 시리즈 종단을 한 움큼씩 사용하는 것이었습니다. 우리는 68 옴까지 값을 올려보려고 했지만, 우리에게 있어 달콤한 지점은 대체로 22 옴이었고, 추가 RC 구성 요소에 시간을 할애할 수 있다면 33 옴이었습니다. 저는 또한 여러 경우의 접지 리프트를 발견했고, 이산 전선을 추가하여 주소선을 수동으로 조율해야 했습니다: 570만 대에 이르렀습니다.

새로 온 "디지털" 엔지니어들에게 신호가 울리는 동안은 그 신호를 높거나 낮은 것으로 계산할 수 없다는 것을 보여주었습니다. 신호가 울림을 멈출 때까지 기다려야 한다고 말이죠. 갑자기, 그들의 디지털 세계관에 아날로그가 등장하면서 실제 현상을 기반으로 타이밍 계산을 다시 하도록 강요받았습니다. "모든 것이 아날로그야"라고 크게 말하곤 했는데, 어느 날 동료 엔지니어인 헤들리가 "양자 효과는 어떻게 되나요?"라고 물었습니다.

그 후로 내 모토는 "모든 것이 아날로그... 물론, 양자 효과까지 내려가면 그렇지 않겠지만"이 되었습니다.

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