광자컴퓨터의 진전: 빠른 컴퓨터는 전기 대신 빛을 사용한다.
과학자들과 공학자들은 컴퓨터의 속도를 향상시키기 위해 전기 대신 빛을 이용하는 방법을 빠르게 진전시키고 있다.
오늘날 가장 빠른 컴퓨터는 수마일의 작은 구리선을 이용해 실리콘 칩에 뭉쳐진 다수의 데이터 프로세서들을 연결하여 작동한다. 각각의 작은 프로세서들은 같이 연결된 칩들의 수백 또는 수천의 정보들을 상호 교환해야 한다.
0과 1로 처리된 데이터는 전자 신호 형태로 선을 타고 다니면서 열을 발생시키고 에너지를 소비한다. 그리고 그 데이터는 중앙처리장치의 속도를 따라잡기에는 충분히 빠르지도 않다.
컴퓨터의 전체적인 성능에서 가장 약한 부위는 칩과 칩으로 정보를 이동시키는 능력이라고 인텔의 컴퓨터설계 전략가인 Stroman은 말한다. 정보를 이동시키는 것이 컴퓨터 성능 향상에서 가장 큰 장애물이고, CPU가 빨라지면서 더 문제는 더욱 두드러지고 있다.
컴퓨터 과학자들은 그 해결책이 광자(빛줄기를 만들어내는 작은 패킷)라고 생각한다. 광자는 전기의 기본 입자인 전자와 같지 않다.
광자 과학은 나노 크기 규모에서 극소의 작은 입자를 다루게 되면서 ‘나노포토닉스’로 알려져 있다. IBM의 나노포토닉스 매니저인 Vlasov는 광자가 구리선을 타고 흐르는 전자보다 10~100배 빠르게 데이터를 전송할 수 있다고 말한다.
데이터 흐름을 관리하기 위해 컴퓨터 설계자들은 나노포토닉스 스위치를 만들어왔는데, 그 스위치는 소형 조차장처럼 프로세서 사이의 사이버 트랙픽의 방향을 지정한다.
예를 들어, 소니플레이션 3 게임콘솔이 하나의 칩에 코어라고 불리는 9개의 프로세서를 갖고 있는데, 미래에는 칩 당 몇 십 개 내지 몇 백 개의 코어를 가지게 될 것이다.
광자가 전자가 하는 일의 상당부분을 할 수 있기까지는 몇 해가 걸릴지 모른다. 하지만 그 진보 속도는 빠르게 진행되고 있다.
지난주, 미 방위고등연구기획국(DARPA)은 인터넷 관련 연구 진행에서 선마이크로시스템스와 4천 4백만 달러의 계약을 맺고, 수백 수천 개의 처리장치 사이에서 신호를 효과적으로 교환할 수 있는 초고속 나노포토닉 시스템을 설계해줄 것을 주문했다. 이 계약에서 DARPA는 점진적인 진보가 아닌 혁신적인 변화를 주문했다.
이 칩은 레이저 기술로 저가형 칩을 서로 연결함으로써 대용량 슈퍼컴퓨터 제작 시 성능은 높이면서도 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 현세대 기술로도 마이크로프로세서에 1평방미터당 10억 개의 트랜지스터를 집적하는 것도 가능하지만 이를 한없이 늘리는 데는 한계가 있기 때문에 칩을 서로 연결해 하나처럼 동작하는 기술이 유용하게 사용될 수 있다(전자신문, 2008.3.28).
지난 3월 초에는 IBM이 소위 세계에서 가장 작은 나노포토닉 스위치를 개발하였다고 발표했다. 그 스위치는 인간 머리카락 너비보다 100배나 작다고 한다. IBM이 추진하고 있는 이 과제도 미 국방성의 지원을 받고 있다.
이 나노포토닉 스위치는 아직 시험 단계에 있기는 하지만, 광전자 공학의 최신 기술에 속한다. 광전자 공학 연구자들은 광섬유 통신기술을 소형화해 칩 내에서 실현하고자 노력 중이다. 이것이 성공하면 축소된 컴포넌트를 실리콘으로 저렴하게 생산할 수 있게 됨과 동시에 성능을 향상시키고, 소비 전력도 줄일 수 있다. IBM의 계산에 따르면, 광자 기술로 접속된 칩은 전자 칩에 비해 전력 소비가 10분의 1로 줄어드는 반면, 코어 간 데이터 전송 속도는 100배나 차이난다.
이 스위치는 코어 간의 데이터 트래픽을 관리하는 컴포넌트로, 다양한 파장의 빛을 동시에 처리할 수 있어 초당 1테라 비트의 대역폭을 구현할 수 있다. 이것은 현재의 칩이 보유한 입출력 통신 시스템보다 크게 뛰어난 성능이다.
대역폭 수치가 커지면 코어 간에 데이터의 지연 시간을 단축할 수 있다. 또 1제곱 밀리미터 내에 이 스위치를 2,000개 탑재할 수 있어 칩의 크기를 크게 줄일 수 있다.
IBM이나 인텔과 같은 대기업과 프리마리온(Primarion) 같은 신생기업들을 포함한 수많은 기업들은, 8년 전부터 실리콘 레이저나 도파관 등 다양한 구성요소를 이용한 실험으로 광전자 공학을 현실로 만들기 위한 노력을 해 왔다(news.com, 2008.3.16; zdnet, 2008.3.19).
인텔의 Stroman은 향후 5년 안에 빛을 이용하여 정보를 전송하는 실용적인 방법이 나타날 것이라고 말했다.
