실리콘 칩 소형화 유익이 한계에 이르면서 미국 정부 연구기관이 거액의 연구비를 지원하는 탄소 나노튜브 등 신소재, 새 디자인의 컴퓨터 칩 연구가 주목받고 있다.
DARPA, 학계와 산업계 새로운 칩 개발 연구에 연간 3억 달러 5 년간 총 15 억 달러 지원
최근 미국 과학전문지 사이언스에 따르면 미국방위고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)은 다음 세대 컴퓨터 칩 개발을 목표로하는 십여개 프로그램에 총 7500만 달러의 기금을 수여했다. 향후 DARPA 프로그램은 학계와 산업계에 연간 3억 달러, 5 년 동안 총 15 억 달러를 지원할 전망이다.
웨이퍼에는 실리콘으로 만든 트랜지스터보다 빠르고 효율적으로 전환하는 탄소 나노 튜브로 만든 수백 개의 작은 컴퓨터 칩이 들어 있다. <출처=스탠포드 공대>
뉴저지의 노키아벨연구소(Nokia Bell Labs) 무선통신 전문가 조지 라이트(Gregory Wright)는 제조사들이 실리콘의 물리적 한계에 다다르고 있다고 말한다. 그는 전자가 단지 100개의 원자 너비의 실리콘 패치에 갖혀있어 전자가 새어 나와 오류를 일으키는 것을 방지하는 복잡한 디자인을 강요받고있다고 말했다. 확장할 공간이 거의 다 찼다는 것이다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology) 전기공학자 맥스 슈레이커(Max Shulaker)는 기존 실리콘 칩 개선 속도가 정체되고 있고 새로운 버전의 칩은 에너지 효율을 30 % 향상시키는데 불과하다고 말한다.
펜실베이니아 주 피츠버그에있는 카네기멜론대학 (Carnegie Mellon University)의 컴퓨터공학 정책 전문가인 에리카 퍼치(Erica Fuchs)는 “결정적인 중요 시기”라고 말한다.
앤아버에 위치한 미시간대학(University of Michigan, Ann Arbor) 컴퓨터공학자 발레리아 베르타코(Valeria Bertacco)는 소수의 기업만이 칩을 만드는 수십억 달러 규모의 제조 공장을 가질 수 있는 산업구조가 작은 스타트업이 한 때 지배적이었던 분야에서 혁신을 저해한다고 말한다.
몇몇 대기업들은 특정 작업에 특화된 특수칩을 설계하는 별도의 경로를 사용하고 있다고 퍼치는 지적한다. 기존에 공유 가능했던 기본적인 연구를 위한 비용 지불에 대한 인센티브가 줄어 들었다는 것이다. 퍼치와 그의 동료 연구에 따르면 노스 캐롤라이나 주 더럼(Durham)에있는 반도체 리서치 코퍼레이션 (Semiconductor Research Corporation)에 소속 된 회사수가 1996년 80 명에서 2013 년 절반으로 줄었다.
거의 실온에서 제작 가능한 탄소 나노 튜브 트랜지스터, 고밀도 통합 3D 칩에 유리
DARPA는 현재 슈레이커(Shulaker)와 같은 연구원에게 보조금을 지급하면서 그 격차를 해소하려고 노력하고 있다. 그는 실리콘 트랜지스터보다 빠르고 효율적으로 스위치 온 및 오프하는 탄소 나노 튜브로 만든 트랜지스터로 3D 칩을 만들고 있다. 오늘날 기업들은 처리 속도를 높이기 위해 로직과 메모리 기능을 서로 가깝게 묶는 방법으로 실리콘으로 3D 칩을 만들고 있다. 그러나 칩은 칩 레이어 사이에 정보를 전달하는 부피가 크고 드문드문한 배선으로 인해 속도가 느려진다. 또한 2D 실리콘 칩 레이어는 1000 ° C 이상에서 별도로 제작해야하기 때문에 하위 레이어를 용해하지 않고 통합된 제조 계획에 3D 칩을 구축 할 방법이 없다.
거의 실온에서 만들 수있는 탄소 나노 튜브 트랜지스터는 고밀도의 통합 3D 칩에 대한 더 개선된 방법을 제공한다고 슈레이커는 말한다. 그의 팀의 3D 칩은 최첨단 실리콘 디바이스보다 10 배 더 큰 기능을 갖추고 있지만, 속도와 에너지 효율성은 50 배 향상 될 것으로 예상된다. 전력이 많이 소비되는 데이터 센터에 잠재적인 혜택이 될 전망이다.
DARPA 프로그램은 또한 플랙서블 칩 아키텍처에 대한 연구를 지원한다. 템프(Tempe)의 아리조나주립대(Arizona State University)의 무선통신 전문가 다니엘 블리스(Daniel Bliss)와 그의 동료들은 특수 작업을 수행하기 위해 즉석에서 재구성 할 수있는 칩을 사용해 무선 통신을 향상시키고자 한다. Bliss는 하드웨어보다는 소프트웨어를 사용해 신호를 혼합하고 필터링하는 무선 칩을 개발하고 있다. 이는 많은 수의 장치가 간섭없이 신호를 송수신 할 수있게 도와준다. 모바일 및 위성 통신을 향상시킬뿐만 아니라 많은 장치들간에 커뮤티케이션이 필요한 사물인터넷(IoT)의 급속한 성장을 가능하게 할 수 있다고 그는 말한다.
또다른 DARPA 보조금 대상자는 캘리포니아 주 팔로 알토 (Palo Alto)에있는 스탠포드 대학 (Stanford University)의 연구원이다. 그는 칩 제조에 사용되는 컴퓨터 도구를 개선 할 예정이다. 이 도구는 기계 학습이라는 인공 지능의 형태로 새로운 칩 설계를 검증한다. 그들은 수십억 개의 트랜지스터로 구성된 칩의 설계 버그를 탐지하는 대부분의 수동 프로세스를 자동화해 새로운 칩 아키텍처를 설계, 테스트 및 제조하는 능력을 가속화 할 수 있다.
새로운 프로젝트의 일부라도 성공한다면 DARPA 프로젝트는 전자 제품을 설계하는 방법에 완전히 혁신을 일으킬 것이라고 스탠포드 전기 컴퓨터엔지니어 겸 3D 탄소 나노튜브 및 회로검증 프로젝트 연구원 수바시 미트라(Subhasish Mitra)는 말한다. 그는 또한 이 프로젝트들이 엔지니어들에게 수십 년 동안 연구를 주도해온 실리콘 이후를 보도록 할 것이라고 말한다.
미트라는 “내가 학생이었을 때는 지루했다. 실리콘이 알려진 경로를 따라 앞으로 나아갈 것이 분명했다. 이제는 그것이 미래가 아닌 것이 분명하다”고 말했다.
한편, 최근 지난 5년간 호황을 누리던 글로벌 반도체 가격도 하락세로 접어 들면서 이같은 연구의 중요성이 한층 부각되고 있다.
*미국방위고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)
미국방위고등연구계획국은 미국 국방부에 소속된 연구 기관이다. 국방 관련 기술 개발을 주로 담당하고 있다. 인터넷의 원조인 아르파넷(ARPA Net)을 처음 개발한 곳이다. 군사 분야의 인공지능(AI) 무기와 통신 시스템에 관한 연구를 주로 진행하는 것으로 알려졌다.
<참고 : http://www.sciencemag.org/news/2018/07/beyond-silicon-15-billion-us-program-aims-spur-new-types-computer-chips>
편집장/ Editor-in-Chief
국가 안보 정책과 연계된 과학기술 분야 혁신 등 영향력 있는 분석을 생산하고 있다. 주로 핵심 과학기술 연구, 글로벌 안보, 지정학, 해양 전략을 주제로 집필한다.
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