일본과 미국 연구진이 차세대 컴퓨팅 기술로 주목받는 확률 컴퓨팅(Probabilistic Computing) 분야에서 중요한 성과를 거뒀습니다.
일본 도호쿠대학교 연구진과 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진으로 구성된 공동 연구팀은 세계 최초로 반도체 제조 공정을 이용해 실리콘 칩 위에 스핀트로닉 확률 비트(Spintronic Probabilistic Bit·p-bit)를 구현하는 데 성공했다고 지난 2일 밝혔습니다.
연구진은 이번 실험을 통해 확률 컴퓨터(p-computer)의 핵심 구성 요소인 p-bit가 실제로 정상 작동한다는 사실을 실험적으로 검증했습니다.
이어 이번 성과가 앞으로 인공지능(AI)과 머신러닝 분야에 활용될 수 있는 대규모 스핀트로닉 확률 컴퓨터 개발의 기반이 될 수 있다고 설명했습니다.
p-bit란?
현재 우리가 사용하는 컴퓨터는 비트(bit)를 이용해 정보를 처리합니다.
비트는 0 또는 1 가운데 하나의 값만 가질 수 있으며, 이러한 이진법 구조가 스마트폰과 노트북, 데이터센터, 슈퍼컴퓨터, 인공지능 시스템 등 현대 디지털 기술의 기초가 되고 있습니다.
다만 해결해야 할 경우의 수가 너무 많은 문제에서는 계산 효율이 떨어질 수 있습니다.
예를 들어 수많은 선택지 가운데 최적의 답을 찾아야 하는 최적화 문제나 복잡한 AI 연산에서는 엄청난 양의 계산이 필요합니다.
이런 한계를 극복하기 위해 주목받고 있는 기술이 바로 확률 컴퓨팅입니다.
확률 컴퓨터는 p-bit라고 불리는 특수한 전자 소자를 사용합니다.
일반 비트가 0 또는 1 중 하나의 상태만 유지하는 것과 달리, p-bit는 물리적 무작위성을 활용해 0과 1 사이를 확률적으로 계속 오가며 변화합니다.
덕분에 여러 가능한 상태를 동시에 탐색할 수 있어 AI, 머신러닝, 최적화 문제 등에 적합한 차세대 컴퓨팅 기술로 평가받고 있습니다.
스핀트로닉스가 주목받는 이유
연구진은 p-bit를 구현하는 여러 기술 가운데 스핀트로닉스(Spintronics)가 특히 유망하다고 설명했습니다.
스핀트로닉스는 전자의 전하뿐 아니라 전자가 가진 양자 특성인 스핀(spin)을 활용해 정보를 저장하고 처리하는 기술입니다.
스핀트로닉 소자는 전자의 자기적 특성을 이용하는데, 나노미터 수준의 매우 작은 자기 소자는 자기적 요동(magnetic fluctuation)을 통해 자연스럽게 확률적 동작을 만들어낼 수 있습니다.
연구진은 이러한 특성이 p-bit 구현에 매우 적합하다고 강조했습니다.
연구진은 일본과 미국의 첨단 반도체 제조 기술과 스핀트로닉 기술을 결합해 스핀트로닉 p-bit를 실리콘 칩 위에 직접 구현했습니다.
먼저 미국 반도체 기업 스카이워터 테크놀로지의 130나노미터(nm) CMOS 공정을 이용해 트랜지스터와 하부 배선층을 제작했습니다.
이후 도호쿠대 연구시설에서 초상자성(Superparamagnetic) 나노소자와 상부 전극을 추가로 집적했습니다.
이를 통해 연구진은 하나의 실리콘 칩 안에 반도체 회로와 스핀트로닉 소자를 함께 구현하는 데 성공했습니다.
연구진은 실험을 통해 p-bit가 갖춰야 할 두 가지 핵심 특성을 확인했습니다.
첫 번째는 출력 전압이 시간에 따라 무작위적으로 변하는 특성입니다.
실험 결과 p-bit는 자연스럽게 서로 다른 상태 사이를 오가며 확률적으로 동작하는 모습을 보였습니다.
두 번째는 입력 전압을 조절해 평균 출력값을 제어할 수 있다는 점입니다.
즉, 단순히 무작위로 움직이는 것이 아니라 원하는 방향으로 확률적 동작을 조정할 수 있다는 사실을 입증한 것입니다.
이번 성과가 반도체 집적회로 공정을 이용해 실리콘 칩 위에 스핀트로닉 p-bit를 직접 구현하고 실험적으로 검증한 세계 최초 사례라고 연구진은 설명했습니다.
AI 시대 차세대 컴퓨터로 이어질까
연구진은 이번 기술이 현재의 실험실 수준 프로토타입을 넘어 더 큰 규모의 스핀트로닉 확률 컴퓨터 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
앞으로 소자와 회로 기술을 더욱 발전시키고 더 많은 p-bit를 하나의 칩에 집적할 수 있게 되면, 대규모 스핀트로닉 p-computer의 실용화도 가능해질 수 있다는 설명입니다.
이번 연구 결과는 지난 5월 26일 학술지 IEEE Electron Device Letters에 게재됐습니다.
최성훈 기자 csh87@etnews.com
