더 작고, 더 빠르고, 더 좋게 – 내일의 데이터 전송 요구를 뒷받침하는 3D 프로세서

University of Florida 연구원들은 프로세서 제조를 위한 새로운 반도체 기술을 통해 무선 통신을 혁신하려 하고 있으며, 전 세계 데이터 전송 효율을 크게 향상시킵니다. Nature Electronics 저널에 발표된 이 혁신은 고속 데이터 전송에 대한 수요가 급격히 증가하고 있는 시점에 나옵니다. 

이미 인터넷 사용자가 크게 증가하고 전 세계 인터넷 트래픽이 수배로 증가함에 따라 데이터 센터와 데이터 전송에 대한 수요가 매우 빠른 속도로 성장하고 있습니다.

게다가 지난 몇 년간 인공지능(AI)이 이 수요를 더욱 급증시켰습니다. 수십억 달러 규모의 AI 산업은 우리의 삶을 변화시키고 빠르게 성장하고 있습니다. 교육, 예술, 엔터테인먼트부터 의료, 자동차 등에 이르기까지 모든 분야에서 사용되고 있습니다. 

AI 애플리케이션은 방대한 데이터를 처리하고 분석하기 위해 상당한 계산 능력이 필요하며, 이는 데이터 센터에서 더 강력하고 효율적인 하드웨어에 대한 필요성을 촉진합니다. 

게다가 데이터 센터와 네트워크 전반에 걸쳐 고속 데이터 전송에 대한 수요가 증가하고 있습니다. AI 시스템은 종종 대규모 데이터 세트를 학습 및 지속적인 학습에 사용하기 때문입니다. AI 시스템이 복잡해질수록 더 높은 네트워크 대역폭과 고용량 스위치, 라우터, 광섬유 케이블의 개선이 필요합니다. 

특히 최근 생성형 AI 애플리케이션의 급증은 AI를 새로운 흥미로운 영역으로 이끌고 있습니다. 주류에 진입하면서 실시간 데이터 처리를 요구하여 즉각적인 반응성을 제공해야 합니다. 따라서 현재 데이터 인프라는 증가하는 AI 수요를 충족시키기 위해 전면적인 개편이 필요합니다. 

이러한 배경 속에서 과학자들은 평면형에서 3차원(3D) 프로세서로 성공적으로 전환했습니다. 

한 달도 채 되지 않아 독일 슈투트가르트 대학 연구진이 여러 기업과 함께 “3차원에서 회로를 영상화.” 연구에 따르면, 연구진은 회로를 연구할 영역에 질소-공극(NV) 중심을 가진 다이아몬드 판을 추가했습니다. 그런 다음 전체 설정을 광시야 형광 현미경에 넣었고, 생성된 자기장이 NV 중심의 스핀에 영향을 주어 광학적으로 검출된 자기 공명으로 측정했습니다. 이는 10 μA μm−2 수준의 약한 전류를 서브 마이크로미터 수준의 공간 해상도로 감지할 수 있었습니다.

따라서 이제 반도체 기술을 활용해 무선 통신을 새로운 차원으로 끌어올리는 것이 데이터 전송 효율성의 새로운 시대를 가져오고 있습니다. 이 혁신은 플로리다 대학 전기·컴퓨터공학부 부교수인 Roozbeh Tabrizian, Ph.D. 팀에 의해 이루어졌습니다.

타브리지안에 따르면 3D 프로세서는 무선 통신 진화에 있어 기념비적인 순간을 의미합니다. 그는 다음과 같이 말했습니다:

“데이터를 보다 효율적이고 신뢰성 있게 전송할 수 있는 능력은 새로운 가능성의 문을 열어 스마트 시티, 원격 의료, 증강 현실과 같은 분야의 발전을 촉진할 것입니다.” 

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무선 통신의 진화 

와이어가 없는 상태에서 송신자에서 수신자로 정보를 전송하는 것은 19세기 말에 하인리히 헤르츠가 1880년대에 전자기파를 공간을 통해 전송한 것을 시연하면서 처음 달성되었습니다. 주파수 단위는 그의 이름을 따 ‘헐츠’라고 명명되었습니다. 이후 수년 후, 구글리엘모 마르코니가 1895년에 라디오파를 이용해 장거리 신호를 전송했습니다. 현대 모바일 폰의 전신이 되는 기술은 1970년대에 개발되었습니다.

따라서 무선 통신은 전선이나 케이블 같은 전기 전도체 없이 거리 위에서 정보를 전송하는 것을 의미합니다. 이 통신 방식은 무선 장치와 기술을 통해 두 개 이상의 장치가 무선 신호로 연결되고 소통하는 것을 말합니다. 이 통신 네트워크의 형태에는 모바일, 블루투스, 방송 라디오, Wi-Fi, 적외선 통신 등이 포함됩니다.

이러한 통신은 일반적으로 전자기파를 이용해 데이터를 전송합니다. 이 메커니즘은 TV 리모컨처럼 몇 미터 거리부터 위성 통신처럼 수천 킬로미터까지 신호를 전달합니다. 물리적인 통신 매체가 존재하지 않습니다. 

한편 전자기파에는 가시광선, 감마선, X선, 자외선, 적외선, 라디오파, 마이크로파가 포함되어 신호를 전달합니다.

무선 통신은 유연성과 편리성을 주요 장점으로 제공합니다. 이 방식은 위치에 구애받지 않고 사람들 간의 소통을 가능하게 합니다. 이러한 유연성 덕분에 사람들은 언제 어디서든 물리적 연결 없이 기기를 휴대할 수 있어 누구와도 언제든 연결할 수 있습니다.

이 방법은 연결선, 네트워크 케이블, 복잡한 물리 인프라 구축을 필요로 하지 않기 때문에 무선 연결은 유선 대비 더 효율적입니다.

속도와 정확성 면에서도 개선이 나타납니다. 또한 무선 기술은 특히 지상선 설치가 어렵고 복잡한 원격 지역에서 접근성을 향상시킵니다. 이러한 쉬운 접근성은 지속적인 연결을 제공하여 비상 상황에 빠르게 대응할 수 있게 합니다.

무선 통신의 많은 이점을 고려할 때, 무선 기술은 급증하는 사용자 요구를 충족하기 위해 빠르게 진화해 왔습니다. 기술 발전은 더 높은 데이터 전송 속도와 서비스 품질 향상을 가져왔습니다.

인터넷 연결이 개인 및 직업 생활의 필수 요소가 되면서, 연구자, 과학자, 기업, 정부는 데이터 전송을 더 빠르고 효율적으로 만들기 위해 개발 및 투자를 진행하고 있습니다. 올해 초 영국 옥스퍼드 대학 연구진이 자기 소용돌이를 막에 구현하여 초당 킬로미터 수준의 데이터 전송을 가능하게 했습니다. 이 발전은 차세대 초고속 컴퓨팅 플랫폼의 길을 열 것으로 기대됩니다.

옥스퍼드 대학 물리학부에서 박사후 연구원으로 활동 중인 Hariom Jani에 따르면:

“실리콘 기반 컴퓨팅은 전체 규모 AI와 자율 장치와 같은 차세대 컴퓨팅 애플리케이션에 비해 에너지 효율이 너무 낮습니다.” 

연구진은 2D와 3D 소재의 장점을 결합하고 쉽게 전이 가능한 매우 얇은 결정질 적철석(헤마타이트) 막을 제작했습니다. 이 유연한 막은 파손 없이 다양한 형태로 비틀릴 수 있어 3D에서 자기 소용돌이를 형성하는 데 활용되었습니다. 이 기술과의 통합은 미래 컴퓨터가 인간 뇌처럼 작동하도록 할 것으로 기대됩니다.

또 다른 흥미로운 발전은 2년 전 영국 버밍햄 대학 공학부 연구진이 새로운 빔 스티어링 안테나를 공개하면서 데이터 전송 효율을 향상시켰습니다. 또한 현재 사용 중인 기술로는 접근할 수 없었던 주파수 대역을 모바일 통신에 제공하게 되었습니다.

게임 체인저 프로세서

현재 모바일 기기의 데이터는 전자기파로 변환되어 전 세계 사용자 간에 주고받습니다. 여기서 스펙트럼 프로세서 또는 필터가 다양한 주파수에서 데이터를 이동시키는 역할을 합니다. 스펙트럼 처리는 오디오를 작은 개별 단위로 분해하여 매우 세밀한 수준에서 타깃팅할 수 있게 합니다.

이를 이해하는 방법은 교통 신호등에 비유할 수 있습니다. 신호등은 도시의 교통 흐름을 효율적으로 유지합니다. 그러나 도시 인프라가 처리할 수 있는 교통량에는 한계가 있습니다. 차량 수가 계속 증가하면 문제가 발생합니다.

현재 우리는 효율적으로 이동시킬 수 있는 데이터 양의 한계에 다다르고 있습니다,” 라고 타브리지안이 말했습니다. 그는 평면형 프로세서는 “이제는 실용적이지 않으며, 매우 제한된 주파수 범위만 제공한다”고 설명했습니다.

반도체 산업에서 평면(플래너) 공정은 트랜지스터의 단일 부품을 제작하고 이를 연결하는 제조 방식입니다. 이는 실리콘 집적 회로 칩이 제작되는 방식입니다. 집적 회로(IC), 즉 마이크로칩은 트랜지스터, 저항기, 커패시터와 같은 여러 전자 부품이 작은 반도체 소재 위에 에칭되어 만든 작은 전자 장치입니다.

반도체는 오늘날 우리 세계의 필수 요소이며, 기술 혁신을 이끌어 왔습니다. 이들은 전도체와 절연체 사이의 전도성을 가진 물질로, 다이오드, 트랜지스터, IC 제조에 저비용, 전력 효율, 소형화, 신뢰성 때문에 사용됩니다. 라디오와 컴퓨터부터 의료 진단 장비까지 다양한 전자 기기를 제공하는 것이 반도체입니다. 

이제 기술 발전과 AI의 도래로 인해 데이터 이동을 위해 다양한 주파수에서 훨씬 더 많은 필터가 필요하게 되었습니다. 타브리지안은 다음과 같이 말했습니다:

“도로와 공중의 조명을 생각해 보세요. 혼란스러워집니다. 하나의 주파수만을 위해 제조된 하나의 칩은 이제 의미가 없습니다.” 

타브리지안과 그의 팀원들은 Herbert Wertheim 공대에서 CMOS 기술 제조 공정을 사용해 3차원 나노기계 공명기를 제작했습니다. CMOS(상보성 금속 산화물 반도체)는 소스와 드레인 단자에 N++ 영역이 있는 NMOS 트랜지스터와 p형 기판, 그리고 두 개의 P++ 영역과 n형 기판이 있는 PMOS 트랜지스터로 구성됩니다. CMOS는 낮은 전력 소모와 낮은 동작 전류 때문에 사용됩니다.

지난 달, 우리는 “빛을 이용한 실리콘 포토닉스와 함께하는 광속 컴퓨팅” 기사에서 펜실베니아 대학 연구진이 전기를 대신해 빛 파동을 사용해 AI 학습에 필요한 복잡한 수학을 수행하는 칩을 개발했다고 보도했습니다. 

이 새로운 칩은 처리 속도를 크게 높이고 장치의 에너지 소비를 줄여 차세대 AI 개발의 길을 열어줍니다. 이는 AI의 영향력과 수요가 증가하고 있음을 보여주며, 모두가 이를 주목하고 더 나은 방향으로 발전시키기 위해 노력하고 있습니다.

3D 프로세서로 돌아가 보면, 이는 더 적은 공간을 차지하면서 향상된 성능을 제공할 수 있습니다. 또한 무한한 확장성을 가지고 있어 증가하는 수요를 수용하는 데 매우 강력합니다. 이에 대해 타브리지안은 다음과 같이 말했습니다:

“반도체 기술의 통합, 라우팅, 패키징 강점을 활용함으로써 서로 다른 주파수 의존 프로세서를 동일 칩에 통합할 수 있습니다. 이는 큰 장점입니다.”

다양한 주파수를 하나의 칩에 통합함으로써, 이 새로운 유형의 스펙트럼 프로세서는 “진정한 게임 체인저”라고 플로리다 대학 전기·컴퓨터공학부 교수진 담당 부교수인 David Arnold가 말했습니다. Arnold는 이 “다중 대역, 주파수 가변 라디오 칩셋에 대한 새로운 접근 방식”이 거대한 제조 과제를 해결하고 설계자들이 “점점 혼잡해지는 무선 세계에서 완전히 새로운 통신 전략을 상상”할 수 있게 한다고 언급했습니다.

이 혁신은 5년간의 연구 결과입니다. Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski, 그리고 타브리지안을 포함한 연구팀은 2019년에 이 새로운 프로세서 접근법 작업을 시작했습니다. 

이 연구는 국방 고등 연구 계획국(DARPA)으로부터 자금을 받았습니다. 미국 국방부(DOD)의 연구 기관인 DARPA는 군사 국가 안보를 위한 신기술에 투자하고 개발합니다. Arnold는 다음과 같이 말했습니다:

“쉽게 말해, 우리의 무선 장치는 더 좋고, 더 빠르며, 더 안전하게 작동할 것입니다.” 

기업들 

이제 이 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업들을 살펴보겠습니다:

#1. NVIDIA Corporation 

캘리포니아에 본사를 둔 칩 제조업체는 그래픽 처리 장치(GPU)로 유명합니다. NVIDIA의 기술은 데이터 센터와 AI 애플리케이션에 사용되며, 데이터 전송 효율성 향상의 혜택을 받을 수 있습니다. 최근 AI 산업 확장을 지원하기 위해 얼마나 많은 칩 공장(반도체 팹)이 필요한지에 대한 질문에 대해 NVIDIA (NVDA ) CEO Jensen Huang은 다음과 같이 답했습니다:

“우리는 더 많은 팹이 필요할 것입니다.”

하지만 이들은 알고리즘과 AI 처리 능력도 크게 향상시키고 있습니다.

시가총액 2.188조 달러이며, 주가는 $869로 연초 대비 76.75% 상승했습니다. 회사의 매출(TTM)은 609억 달러, 주당순이익(EPS, TTM)은 11.93, PER(TTM)은 73.38, ROE(TTM)은 91.46%입니다. 배당금은 0.02%를 지급합니다. 2월 실적 발표에서 Huang CEO는 의료, 생물학, 금융 서비스, 로봇공학 및 자율주행 차량 기업과의 협업과 AI 및 LLM 개발자와의 협업에 대해 언급했습니다.

#2. Intel Corporation 

반도체 산업의 또 다른 선두 기업인 인텔도 프로세서 기술 발전으로 혜택을 받을 수 있습니다. 이 기업은 현재 미국 정부로부터 3년 동안 35억 달러 규모의 자금을 받아 국가 군사 프로그램을 위한 첨단 반도체를 제조하려는 계획을 가지고 있습니다. (INTC )

인텔은 이미 국방부(DOD)와 에너지부(DOE)와 오랜 관계를 맺고 있으며, DOE의 Aurora 슈퍼컴퓨터 핵심에 다이-다이 칩과 프로세서 프로토타입을 생산한 바 있습니다.

시가총액 187.42억 달러이며, 주가는 $44.33으로 연초 대비 12.44% 하락했습니다. 매출(TTM)은 542.2억 달러, EPS(TTM)은 0.38, PER(TTM)은 116.92, ROE(TTM)은 1.63%입니다. 배당금은 1.13%를 지급합니다.

#3. Samsung Electronics

한국의 기술 대기업 삼성은 무선 통신 기기용 다양한 부품을 생산하며 시가총액은 368.9억 달러입니다. 회사 주가는 1,375로 연초 대비 8.28% 하락했습니다.

2023 회계연도 실적에 따르면, 삼성은 연간 매출 258.94조 원(약 1970억 달러)과 영업이익 6.57조 원(약 50억 달러)을 기록했습니다.

결론 

위에서 논의한 바와 같이, 더 빠른 데이터 전송에 대한 필요성은 매일 증가하고 있으며, 특히 AI가 급격히 발전하고 있습니다. 이러한 환경에서는 연구가 지속적으로 데이터 전송 개선을 도입하여 보다 풍부한 경험을 제공하는 것이 중요합니다.