속도와 효율성으로 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘는 나노기술

고급 컴퓨팅 기술은 고속 및 저전력 소비 달성을 향해 큰 진전을 이루고 있습니다.

이 분야의 주요 발전에는 층형 설계를 사용하여 더 빠르고 작은 칩을 낮은 비용으로 제작하는 새로운 실리콘 아키텍처가 포함됩니다. 한편, 광자 컴퓨팅은 빛 파장을 이용해 데이터를 처리하고 저장합니다. 빛의 속도는 단순히 능가할 수 없으므로, 이는 높은 속도와 낮은 지연 시간을 제공할 수 있습니다.

그 다음으로는 생물학적 컴퓨팅이 있습니다. 여기서는 정보가 생물학적 세포에 인코딩되고 저장되며, 이는 나노생명공학의 진보에 의해 추진됩니다. 양자 컴퓨팅 역시 큰 잠재력을 제공하며, 양자 중첩, 얽힘 및 간섭을 활용해 오늘날의 컴퓨터보다 복잡한 문제를 더 빠르게 해결합니다.

또한, 뉴로모픽 컴퓨팅은 우리 뇌의 신경 시스템을 모방하여 병렬 연산을 수행하고, 클라우드 컴퓨팅은 처리를 원격 또는 가상 위치로 이동시키며, 엣지 컴퓨팅은 중앙 시설에서 처리 작업을 최종 사용자에 가깝게 이동시킵니다.

데이터를 처리, 저장 및 통신하기 위한 도구와 시스템에 초점을 맞춘 이러한 모든 컴퓨팅 기술 발전은 인공지능(AI) 및 데이터 분석을 포함한 분야에서 전례 없는 진보를 이끌어냈습니다.

이 분야의 지속적인 연구는 컴퓨팅 기술에서 지속적이고 빠른 혁신을 촉진했으며, 과학자들은 이제 더 깊이 파고들어 더 좋고, 더 빠르며, 더 효율적인 결과를 달성하고 있습니다.

실리콘에서 레이저 나노스케일 제작의 돌파구

터키 빌켄트 대학교 연구진이 최근 중요한 돌파구을(를) 달성했으며, 실리콘 웨이퍼 내부 깊숙이 나노구조를 제작하는 기술을 개발했습니다.

새로운 방법은 공간 광 변조와 레이저 펄스를 통해 실리콘 내부에서 나노제작을 가능하게 하여 전자공학 및 광학에 도움이 될 고급 나노구조를 생성합니다.

이 연구는 전자공학, 광학 및 광전지의 기반인 실리콘에 초점을 맞추었습니다. 반도체로서 실리콘의 전기 전도성은 절연체와 순수 전도체 사이에 위치합니다. 이는 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 원소이며 금속 및 비금속 특성을 모두 가지고 있습니다. 또한, 실리콘은 상대적으로 작은 에너지 갭을 포함한 뛰어난 전기적 특성으로 반도체 산업에서 중요한 재료입니다.

하지만 기존 리소그래피 기술이 제기하는 어려움 때문에 실리콘은 표면 수준의 나노제작에만 제한되어 왔습니다. 현재 방법은 웨이퍼 표면을 관통하면서 변화를 일으키지 못하거나 레이저 리소그래피의 해상도에 의해 제한됩니다. 또한 기존 기술은 웨이퍼 내부 깊은 곳에서 고정밀 변조를 허용하지 않습니다.

만약 장치를 웨이퍼의 상하 표면을 변경하지 않고 이 금속의 본체 내부에 직접 제작할 수 있다면, 이는 새로운 표준을 설정할 것입니다.

물론, 이는 1마이크론보다 큰 제작 해상도 한계를 극복하면서 동시에 웨이퍼 내부에서 다차원 나노스케일 제어를 달성한다는 의미입니다. 그러나 이를 실현한다면 마법 같은 진보가 될 것이며, 3D 나노포토닉스의 새로운 기능을 가능하게 하고 실리콘 내부에 메타표면을 만들 수 있게 됩니다.

최신 연구는 공간적으로 변조된 레이저 빔과 사전 형성된 하부 구조에서의 이방성 피드백을 활용하여 이를 달성했습니다. 이를 통해 팀은 나노스케일에서 물질을 조작함으로써 실리콘 내부에서 제어된 나노제작 능력을 확립할 수 있었습니다.

구체적으로, 빌켄트 팀은 웨이퍼 내부의 복잡한 광학 효과와 레이저 빛의 고유 회절 한계를 해결하기 위해 공간을 변조하여 만든 독특한 레이저 펄스를 활용했습니다. 공간적으로 변조된 레이저 펄스는 베셀 함수에 해당합니다.

에너지의 정밀한 전달을 방해하던 광학 산란 효과는 특수 레이저 빔의 비회절 특성으로 극복되었습니다. 이 비회절 특성은 고급 홀로그래픽 투사 기술로 생성되어 에너지의 정밀한 국소화를 가능하게 합니다. 이는 작은 부피에서 물질을 변형시키기에 충분한 압력과 온도 값을 초래합니다.

물리학부 교수인 오누르 토켈에 따르면:

“우리의 접근 방식은 레이저 펄스의 에너지를 반도체 물질 내부의 극히 작은 부피에 국소화하는 데 기반을 두고 있으며, 이를 통해 플라스몬과 유사한 새로운 필드 강화 효과를 활용할 수 있습니다. 이는 물질 내부에서 직접적인 파장 이하 및 다차원 제어를 가능하게 합니다.”

그는 덧붙였습니다:

“우리는 이제 실리콘 내부에 매몰된 나노포토닉 요소, 예를 들어 높은 회절 효율과 스펙트럼 제어까지 가능한 나노그레이팅을 제작할 수 있습니다.”

그 뒤에 새로운 시드 효과가 이어졌으며, 하부 표면에서 형성된 나노-공극이 주변에 강한 필드 강화 효과를 만들었습니다. 일단 형성되면, 그 결과 필드 강화는 자체적으로 유지되어 초기 나노구조의 생성이 이후 나노구조의 제작을 돕는다는 의미입니다.

한편, 레이저 편광을 사용함으로써 연구자들은 나노스케일에서 나노구조의 정렬 및 대칭에 대한 추가적인 제어를 얻었으며, 이는 다양한 나노 배열을 정확하게 개발할 수 있게 합니다.

“레이저-재료 상호작용 시스템에서 발견된 이방성 피드백 메커니즘을 활용함으로써, 우리는 실리콘에서 편광 제어 나노리소그래피를 달성했습니다.”

– 연구 책임 저자, Dr. Asgari Sabet 

이 새로운 제작 방법은 100nm까지의 작은 특징 크기를 달성했으며, 이는 기존 방식에 비해 큰 개선입니다.

이 연구는 다차원 제어와 회절 한계 초과 특징을 갖춘 대면적 체적 나노구조화를 입증함으로써 특정 구조를 가진 나노스케일 시스템에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 연구자들에 따르면, 향후 잠재적인 발전으로는 메타물질, 메타표면, 정보 처리 응용 및 광자 결정이 포함될 수 있습니다.

이 연구는 또한 도입된 나노그레이팅 기능이 이 목표를 향한 한 단계임을 보여주며, 온칩 시스템과의 통합에 큰 잠재력을 보여줍니다. 연구는 이것이 최초의 다층 실리콘 포토닉스임을 언급합니다.

전반적으로, 이 연구는 “실리콘을 위한 새로운 제작 패러다임”을 소개했습니다. 실리콘 내부에서 직접 나노스케일로 제작할 수 있는 능력은 추가 통합 및 고급 포토닉스를 향한 새로운 영역을 열어줍니다라고 토켈 교수는 말했습니다. 연구의 다음 단계는 실리콘에서 완전한 3D 나노제작이 달성될 수 있는지를 조사하는 것입니다.

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다음 세대 컴퓨팅을 위한 길을 여는 나노소재

위에서 보았듯이, 연구자들은 더 나은 결과를 위해 나노구조를 목표로 하고 있습니다. 나노기술은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 나노스케일에서 제어하는 모든 것을 의미합니다.

이처럼 작은 규모에서는 물질의 독특한 특성과 행동을 경험할 수 있어, 연구자와 엔지니어가 다양한 응용을 위해 이를 조작할 수 있습니다. 그 결과, 나노기술은 에너지, 전자, 의학, 재료 과학 등 많은 산업에 광범위한 영향을 미칩니다.

세계의 가장 시급한 과제들을 해결할 큰 잠재력을 가진 나노기술은 특히 컴퓨팅 및 전자 분야에서 급속히 진화하고 있습니다. 나노기술은 이러한 분야에서 주요 진보에 크게 기여했으며, 그 결과 더 빠르고, 더 작으며, 더 휴대 가능한 시스템이 등장했습니다.

예를 들어, 그래핀 및 탄소 나노튜브와 같은 나노소재는 유연하고 투명한 전자기기를 만드는 데 유망함을 보여주었습니다.

나노구조는 재료의 전기적, 광학적, 자기적 특성을 벌크 대비 향상시켜 반도체 및 컴퓨팅 분야를 혁신했습니다.

이와 같은 맥락에서, 나노스케일 양자 비트를 활용한 양자 컴퓨팅 및 통신이 진행되고 있습니다. 또한, 고용량·고속 충전 배터리와 슈퍼커패시터를 위한 나노소재 개발 연구가 지속되고 있습니다. 한편, 나노스케일 제작 기술의 진보는 강력한 성능을 갖춘 소형화된 장치와 부품의 제작을 가능하게 하고 있습니다.

나노스케일 트랜지스터와 메모리 칩과 같은 더 작고 효율적인 장치 개발을 가능하게 함으로써, 나노기술은 컴퓨팅 파워와 저장 용량을 크게 증가시켰으며, 이는 무어의 법칙의 한계를 뛰어넘고 있습니다.

여기서 언급된 무어의 법칙은 인텔 공동 창업자 고든 무어가 제시했으며, 그는 단일 칩의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배가 되고 비용 상승은 최소화될 것이라고 주장했습니다.

이를 살펴보면, 1950년대에 트랜지스터가 전자 회로의 핵심 부품으로 진공관을 대체하기 시작했습니다. 초기 트랜지스터는 보통 1센티미터 정도였지만, 곧 밀리미터 단위로 측정되었습니다.

이 세기 초로 빠르게 넘어가면, 크기가 130~250나노미터로 감소했으며, 약 10년 전에는 14나노미터로 더욱 축소되었습니다. 그 후 2015년에 IBM은 최초의 7나노미터 트랜지스터를 만들어 이 크기를 절반으로 줄였습니다. 더 작고, 더 좋으며, 더 빠른 트랜지스터를 향한 이 여정은 오늘날에도 계속되고 있습니다.

최근 몇 년간, 생산 중인 가장 작은 트랜지스터 크기는 3nm로 감소했으며, IBM은 2021년 5월에 DNA 한 가닥보다 작은 2nm 트랜지스터를 발표했습니다. 우리는 트랜지스터가 거의 모든 전자 장치를 구동하는 근본적인 요소이기 때문에 이에 초점을 맞춥니다.

흥미롭게도, 트랜지스터가 작아질수록 전력 소비가 감소하고 속도가 빨라집니다. 그러나 많은 사람들은 어느 정도까지는 계속 작게 만들 수 있지만, 결국 더 이상 축소가 불가능해질 것이라고 믿습니다. 그때가 바로 새로운 나노소재와 첨단 기술이 우리 장치를 개선하는 데 필요해지는 순간입니다.

이는 과학자들이 뉴로모픽 시스템과 같은 기술에 초점을 전환하게 만들었으며, 이는 표준 CMOS(상보성 금속산화물 반도체) 회로의 성능을 능가할 수 있는 새로운 인공 뉴런 및 시냅스를 개발해야 함을 의미합니다.

인공 뉴런과 시냅스를 사용함으로써, 이러한 컴퓨터는 인간 뇌가 정보를 처리하는 방식을 시뮬레이션합니다. 이는 현재 컴퓨터보다 더 효율적이고 빠르게 패턴을 인식하고, 문제를 해결하며, 결정을 내릴 수 있게 합니다. 이 분야는 아직 초기이지만, 인지 컴퓨팅, 자율 주행 차량, 그리고 속도와 효율성이 중요한 AI 분야에서 유망성을 보여줍니다.

연구자들은 또한 양자점 및 그래핀과 같은 새로운 종류의 소재를 탐구하여 첨단 컴퓨팅 요구를 충족시키고 있습니다. 최근 연구에서는 양자점 셀룰러 자동화(QCA)를 탐구하여 속도와 효율성 모두에서 향상된 나노스케일 컴퓨터를 설계했습니다.

그래핀 외에도 전이 금속 디칼코게나이드(2D-TMD)와 같은 2D 소재가 반도체에 사용될 것으로 고려되고 있습니다. 이 소재는 넓은 표면적을 통해 효율적인 빛 상호작용을 가능하게 하고, 빛을 조작하는 데 적합성을 향상시키며, 특이한 전하 운반자 이동도는 장치 성능을 높입니다. 또한 내구성이 뛰어나 다양한 실제 응용에 견고합니다.

앞서 언급했듯이, 실리콘 내부에서 나노제작을 달성한 최신 연구는 훨씬 더 높은 처리 능력을 가진 차세대 실리콘 기반 칩을 가능하게 하는 것을 목표로 합니다.

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첨단 컴퓨팅 기술에 종사하는 기업들

이 분야에 관여하는 기업을 고려하면, Applied Materials(AMAT)는 첨단 반도체를 위한 나노제조 기술을 제공하고, Advanced Micro Devices(AMD)는 고성능 컴퓨팅 하드웨어를 개발하며 첨단 컴퓨팅 기술을 탐구합니다.

GPU로 유명한 NVIDIA Corporation(NVDA)도 양자 컴퓨팅 연구에 크게 투자하고 있습니다. Nvidia 슈퍼컴퓨터는 특정 문제를 해결하기 위한 양자 어닐링 시스템 개발에 사용되고 있습니다. 종종 ‘AI의 애인’이라 불리는 NVIDIA는 연초 대비 주가가 157% 상승했습니다.

이 회사는 2024년 1분기에 260억 달러의 사상 최고 매출을 기록했으며, 전 분기 대비 18%, 전년 대비 262% 증가했습니다. 또한 2024년 6월 7일에 10대 1 주식 분할을 발표했으며, 분기 현금 배당금을 0.01달러로 인상했습니다.

이제 첨단 컴퓨팅, 나노기술 및 칩 설계 혁신을 선도하는 기업들을 살펴보겠습니다.

#1. IBM

International Business Machines Corporation(IBM)은 클라우드 및 AI 분야에 관여하는 인기 있는 기술 기업이며, 양자 컴퓨팅 연구와 반도체 기술 발전에 초점을 맞추고 있습니다.

지난 해 동안, 이 회사는 최신 세대 양자 프로세서인 IBM Heron을 출시했으며, 이는 133개의 고정 주파수 큐비트를 갖추고 장치 성능이 3~5배 향상되었습니다.

물리학부 교수인 오누르 토켈에 따르면:

“양자 컴퓨팅을 활용하는 전체 힘은 생성 AI에 의해 구동되어 개발자 경험을 단순화할 것입니다.”

이 회사의 시가총액은 1,805.7억 달러이며, 주가는 195.51달러로 연초 대비 19.86% 상승했습니다. 배당 수익률은 3.41%입니다. 2024년 2분기에 IBM은 매출 158억 달러를 보고했으며, 이는 전년 대비 2% 증가한 수치입니다.

한편, 자유 현금 흐름은 26억 달러였으며, 회사는 연간 전망을 120억 달러로 상향 조정했으며, 이 기간 동안 15억 달러를 배당금으로 주주에게 반환했습니다. 회사는 현금, 제한 현금 및 유가증권을 합쳐 160억 달러로 분기를 마감했습니다. IBM이 엔터프라이즈 AI 분야의 전문성을 보유하고 있으며, 워슨x 출시 1년 전부터 생성 AI 사업이 20억 달러 이상으로 성장한 점을 언급하면서, IBM CEO 아르빈드 크리슈나는:

“우리는 강력한 2분기를 기록했으며, 기대치를 초과했습니다.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation(INTC)은 칩 설계를 혁신하고 뉴로모픽 및 양자 컴퓨팅을 탐구합니다. 이 반도체 칩 제조업체는 대부분의 개인용 컴퓨터에 사용되는 x86 마이크로프로세서 시리즈를 발명한 기업이며, 현재는 미국 정부로부터 보조금 및 대출을 받아 글로벌 칩 제조에서 경쟁력을 회복하기 위해 노력하고 있습니다.

뉴로모픽 연구를 통해 Intel은 차세대 AI 소프트웨어와 최적화된 하드웨어를 공동 설계함으로써 적응형 AI의 미래를 가속화하고자 합니다. 또한 Intel은 Intel Neuromorphic Research Community(INRC)를 설립했습니다. 이 글로벌 협업은 연구 기관, 학계, 기업 및 정부 연구소의 팀을 결합하여 뇌 영감을 받은 AI의 최전선을 발전시키고 있습니다.

이 회사의 시가총액은 895.6억 달러이며, 주가는 21.06달러로 연초 대비 58.23% 하락했습니다. 2024년 2분기에 Intel은 ‘실망스러운’ 재무 실적을 보고했으며, 매출은 128억 달러로 전년 대비 1% 감소했으며, 비GAAP EPS는 0.02달러였습니다. 회사는 2024년 4분기부터 배당을 중단한다고 발표했으며, 현금 흐름이 지속적으로 높은 수준으로 개선됨에 따라 경쟁력 있는 배당을 장기적으로 유지하겠다는 약속을 재확인했습니다.

결론

혁신적인 컴퓨팅 방식을 이끄는 새로운 방법과 기술에 초점을 맞춘 첨단 컴퓨팅은 기업, 연구자, 엔지니어 및 정부로부터 큰 관심을 받고 있습니다. 결국 이는 사이버 보안, 금융 시장 및 기타 많은 핵심 인프라의 근본이 됩니다. 또한, AI의 광범위한 사용은 데이터, 알고리즘 및 마이크로칩과 함께 첨단 컴퓨팅 파워에 의해 지원됩니다.

지난 수십 년간 컴퓨팅 기술의 발전은 우리가 일상적으로 사용하는 장치들의 성능과 기능을 크게 향상시켰으며, 이는 디지털 경제의 성장을 촉진했습니다. 사회에 미치는 깊은 영향을 고려할 때, 전력 소모가 큰 계산 수요를 충족하고 첨단 컴퓨팅의 길을 열기 위해 지속적인 연구와 개발이 필수적이며, 이를 통해 이전에는 상상할 수 없었던 제품과 서비스를 창출할 수 있습니다.

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