초전도체 칩 개발…”에너지 효율 80배 높아”

일본 요코하마국립대학 연구팀이 초전도체를 사용해 슈퍼컴퓨팅 시스템 마이크로프로세서보다 에너지 효율이 약 80배 더 높은 마이크로프로세서를 개발했다.

오늘날 디지털 통신 인프라는 현재 전 세계 전력의 약 10%를 사용한다. 그간 연구에 따르면 최악의 시나리오에서 통신 인프라 기술에 근본적인 변화가 없는 한 2030년까지 대규모 데이터 센터의 컴퓨팅 하드웨어나 통신 네트워크를 구동하는 전기 사용량이 전 세계 전기 50% 이상 증가 할 수 있다. 

연구팀은 차세대 데이터 센터와 통신을 위한 초저전력 고성능 마이크로프로세서 및 기타 컴퓨팅 하드웨어 빌딩 블록으로 ‘AQFP’(Adiabatic quantum-flux-parametron)라고 하는 초전도체 고효율 에너지  디지털 구조를 적용했다. 

그 결과 세계 최초 단열 초전도 마이크로프로세서인 MANA(Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture)라고 하는 4비트 AQFP 마이크로프로세서 프로토타입을 개발하고 시연에 성공했다. AQFP가 실질적인 에너지 효율적인 고속 컴퓨팅이 가능하다는 것을 증명한 것이다. 

연구 결과(MANA: A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices)는 IEEE 국제반도체회로학회(International Solid-State Circuits Conference)에 12월 15일(현지시각) 실렸다.

세계 최초 단열 초전도 마이크로프로세서 AQFP MANA 마이크로 프로세서. Credit: International Solid-State Circuits Conference

현재 구현된 프로토타입 마이크로프로세서는 AQFP가 데이터 처리 및 데이터 저장 등 모든 컴퓨팅을 수행할 수 있다. 또한 마이크로프로세서 데이터 처리가 최대 2.5GHz 클럭 주파수까지 작동, 이는 오늘날 컴퓨팅 기술과 같다. 연구팀은 “설계 방법론과 실험 설정을 개선하면 5~10GHz까지 증가할 것으로 예상한다”라고 말했다.

문제는 초전도체가 성공적으로 작동하려면 극도로 낮은 온도가 필요하다. 초전도체 마이크로프로세서에 필요한 냉각 장치 때문에 에너지가 많이 들어갈 것으로 생각할 것이다. 하지만 AQFP 마이크로프로세서는 놀랍게도 그렇지 않다.

AQFP는 초전도 전자 장치다. 즉, AQFP가 초전도 상태로 전환될 수 있도록 칩을 실온에서 4.2켈빈(Kelvin)까지 냉각하려면 추가 전력이 필요하다. 그러나 이 냉각 오버헤드를 고려하더라도 AQFP는 오늘날 사용 가능한 고성능 컴퓨터 칩에서 볼 수 있는 최첨단 반도체 전자 장치와 비교해도 에너지 효율이 약 80배나 더 높다. 

초전도체 칩 아키텍처의 개념을 입증한 연구팀은 앞으로 칩 최적화를 통해 콤팩트한 AQFP 장치 개발, 작동속도 증가, 가역 계산을 통해 에너지 효율성을 더욱 높이는 등 기술 개선을 위해 노력할 계획이다.

또한 단일 칩에 가능한 한 많은 장치를 장착하고 높은 클럭 주파수에서 모든 장치를 안정적으로 작동할 수 있도록 설계 접근 방식을 확장하고 있다.

연구팀은 표준 마이크로프로세서를 만드는 것 외에도 AQFP가 양자 컴퓨팅 애플리케이션뿐만 아니라 인공지능을 위한 뉴로모픽 컴퓨팅 하드웨어와 같은 다른 컴퓨팅 애플리케이션을 어떻게 지원할 수 있는지도 연구하고 있다.

김들풀 기자 itnews@