일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
차세대 컴퓨터, 극미한 스핀 제어로 초고속 계산
반도체 미세화의 한계를 돌파하다

차세대 통신규격 ‘5G’로 조종하는 로봇이 피아노를 치거나 수술을 한다. 자율주행 차가 순식간에 상황 판단을 한다. 이런 미래 사회를 약속할 수 있을지 여부는 컴퓨터의 진보에 달려 있다. 고속∙저소비전력이 기대되는 차세대 컴퓨터의 개발에 있어서 관건은 빛의 특성이나 전자가 갖는 막대자석과 같은 성질(스핀)을 제어하는 기술이다. 2030년에는 컴퓨터의 모습이 변모해 있을지도 모른다.

컴퓨터에서 계산이나 기억을 담당하는 소자의 개선은 과학이나 사회를 새로운 차원으로 끌어올린다. 파급 효과는 로봇 조작이나 자율주행 외에도 재료 개발에까지 미친다. 대량의 원자나 전자를 사용한 시뮬레이션에서, 현재는 모든 것을 충실하게 재현할 만큼의 계산 능력이 없다. 계산 능력이 향상되면 계산의 정확성도 향상되기 때문에 본 적도 없는 재료나 신약 개발로 이어진다.

에너지절약 성능의 향상도 큰 이점이 있다. 앞으로 컴퓨터 수는 계속 증가할 것이고 인공지능(AI) 학습이나 블록체인 기술 등 소비전력이 큰 처리도 증가한다. 저소비 전력을 실현한 컴퓨터가 필수다.

컴퓨터의 성능 향상은 그렇게 간단하지 않다. 반도체의 집적률은 18개월에 2배가 된다는 ‘무어의 법칙’이 한계에 다다르고 있기 때문이다.

반도체의 미세화에 의존하지 않는 방법이 필요하다. 그래서 주목을 받은 것이 기존의 발상을 대신해, 빛이나 스핀을 다루는 기술이다. 메모리나 연산처리장치에 대한 응용이 기대된다.

양자과학기술연구개발기구는 스핀을 빛으로 제어하는 기술을 개발하고 있다. 다이아몬드나 탄소 소재 ‘그래핀’, 레이저로 디바이스를 만든다.

정보 기억을 담당하는 것은 다이아몬드다. 다이아몬드 속에서 목표한 곳의 탄소를 질소로 고정밀도로 대체하는 기술을 개발했다. 질소 주위에서는 전자의 스핀 방향이 다루기 쉬워진다. 미약한 신호에도 반응해 스핀의 방향을 바꿔서 정보 기억에 사용할 수 있다. 스핀의 방향을 메모리의 ‘0’과 ‘1’에 대응시킨다. 이 방향을 레이저광으로 바꿀 수 있다는 것까지 검증을 마쳤다. 정보의 기입이나 읽기가 가능하다고 한다.

다이아몬드로 기억한 정보의 전송에는 그래핀을 이용한다. 전자의 스핀 방향은 불안정하지만 그래핀처럼 원자가 시트 모양으로 늘어선 물질은 스핀의 방향을 유지한 채 전자를 전송하는데 뛰어나다.

그래핀 밑에 절연성의 자성물질을 장착, 자성물질 내의 전자 스핀과 상호 작용해 보다 길게 스핀의 방향을 유지하도록 하는 연구도 진행한다. 도중에 레이저광을 조사(照査)해 방향을 조작하는 것도 가능하다고 보고 있다.

이러한 요소 기술을 확립해 이르면 30년에 디바이스로 만들고 싶다고 한다. 빛과 전자 스핀은 모두 차세대의 고속∙저소비전력 디바이스에 대한 응용이 주목을 받고 있는 기술이다. 이러한 기술을 조합함으로써 컴퓨터의 성능 향상을 실현할 수 있다. 앞으로는 장기간에 걸쳐서 충전이 필요 없는 디바이스도 완성될 것으로 보고 있다. 기존 컴퓨터의 소비 전력을 억제한다.

-- 양자계산기도 등장 --
반도체의 미세화가 어려워지는 시대에는 다양한 종류의 컴퓨터가 등장할 것이다. 빛이나 전자 스핀의 연구는 진보하고, 양자컴퓨터나 AI 칩 등도 이용이 확대된다. 모두 기존에는 없었던 종류의 컴퓨터라고 할 수 있다.

지금까지 반도체업체는 ‘무어의 법칙’에 따라 설비투자를 하면 보다 코스트 퍼포먼스가 높은 제품이 가능했다. 반도체의 미세화를 통해 1장의 실리콘 웨이퍼로 보다 많은 소자를 만들 수 있고, 소비 전력도 낮출 수 있고, 동작 주파수도 올릴 수 있었기 때문이다.

그러나 미세화가 진행됨에 따라서 발열이 커지고, 트랜지스터 수는 증가해도 계산 능력은 낮추기 어려워졌다. 발열을 억제하기 위해 칩 내부에서 가동률이 낮은 부분이 증가하는 문제도 부상하고 있다.

반도체 제조 장치도 미세화가 진행되면서 고가가 되었다. 미세화가 경제적으로 맞지 않게 되었다. 대량 생산하는 프로세서(연산처리장치)가 아니라면 투자 비용의 회수는 어려운 상황이다.

미국 인텔은 보다 고성능의 프로세서를 만들기 위해 2029년까지 반도체의 선 폭을 10나노미터에서 1.4나노미터까지 축소하는 계획을 세웠지만 과제는 여전히 많다.

● 빛과 전자의 스핀을 사용한 컴퓨터의 요소 기술 전개

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